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太平洋战争初期，日本海军有300架零式战斗机，其中有250架用于太平洋战区，全部是零式战斗机二一型，参与了偷袭珍珠港和菲律宾攻略战等战役，到1942年时零式战斗机21型三菱生产了740架.中岛生产了2821架，可说是太平洋战争前期的当家台柱。就凭借这区区250架零式，日军在开战后几个月时间把盟军在太平洋地区的战斗机部队消灭了2/3。
那时的盟国因准备不足，也缺乏对零式战斗机特性的正确分析，因此采用错误的一战体系空战战术导致接连惨败，因此可以说正因为零式战斗机二一型的活跃造就了不败的零式战斗机神话，其明灰色（今日考证为饴色）涂装也成为零式战斗机神话的象征。在太平洋战争的头3个月内，日本海军的250架A6M2在与荷兰、英国、美国、澳大利亚的F2A水牛、F4F野猫、CW-21B、霍克75A、P-40B战鹰的空战中大获全胜。
在香港、新加坡、菲律宾、东印度甚至印度洋，由于零式的杰出性能，再加上经验丰富的日本飞行员，零式战斗机统治了整个的天空，为日军的登陆作战打下了良好的基础，而携带炸弹的零战也可以作为战斗轰炸机使用，有“万能战斗机”之称。盟军自此型零式战斗机开始称其为"Zero"而对之投予高度的敬畏，并将此代号沿用至往后所有的零式战斗机系列。
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1942年3月8日荷兰停止抵抗。随后零式战斗机开赴新几内亚和所罗门，在这里A6M2 除了P-40B战斧外，还遇到了贝尔P-39、P-400（P-39飞蛇出口英国型）战斗机。由于其高空性能太差，P-39的表现令人汗颜！坂井三郎吹嘘道：任何稍具经验的飞行员驾驶零式都能轻易击落P-39。于是英美空军一怒之下将P-39标上上“二流战斗机”的牌子扫地出门，扔给了苏联空军作为对地攻击机使用。不过这款英美方面不要的扔货却在苏联空军手中大放光彩，这是后话。
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【台南航空队的A6M2零式二一型，1942 年夏驻扎在腊包尔】
前面说了零式的主要武器九九式一号二〇粍机铳，但是这款新式航炮并不讨飞行员的喜欢，相反，航空本部收到的报告几乎是骂声一片。厄利孔 FF 型机炮采用的供弹方式是弹鼓供弹，共有45发、60发、75发和100发四种弹鼓设计。如果将厄利孔FF作为旋回机炮由炮手操作，弹鼓供弹倒是挺方便，但是作为机翼内固定机炮（FF是Flügelfest 的缩写，就是机翼内的意思），弹鼓供弹造成厄利孔 FF 载弹量过少。在高速飞行、不断震颤的战机上，机炮的命中率较低，所以日本飞行员总是无奈的发现20毫米机炮还没命中敌人就打光了弹圌药。更糟糕的是，轻量型FF机炮采用的20x72RB弹圌药发射药装药较少（德国版的MG-FF就专门改用了壳体较薄的长弹壳，增加了发射药装药量），炮管较短，因此初速较低，只有600m/s，所以20毫米FF炮的弹道相比7.7 毫米机圌枪等相比要弯曲的多。
于是九九式一号20毫米机炮注定只能是一款老手向的武器，在十二试舰战的实验中，试飞员对20毫米航炮评价很低，后来很多飞行员也认为“低初速导致弹道弯曲、射程短，弹数少，不实用”，最狠的是在中国战场面对 I-16等灵活敌机的飞行员，干脆骂20毫米航炮是百害而无一利的废物，只有个别的老手认为九九式虽然难用，但在熟悉其“山形弹道（美军称“尿尿弹道”）”后还是可以打中敌机的。
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仿佛是为了证明山本等航空本部人员的远见，太平洋战争爆发后，日本海航对九九式一号20毫米航炮的恶评一下子减少了，甚至出现了不少赞美。原来，与此前日本战斗机遭遇的对手不同，太平洋战争初期的美国海军战斗机大多极为笨拙，但是却异常皮实。美军的F2A水牛、F4F野猫等战斗机在狗斗中完全不是零战的对手，但对7.7毫米机枪却表现出可怕的承受能力，时常是日本战机无奈的看着美机带着一身弹孔扬长而去。
此时20毫米炮穿甲爆破弹的威力体现出来，虽然单数少，准头差，但只要打中，美军战机就非死即伤。等到太平洋战争中期F4U海盗、F6F地狱猫等机动性不输零战的美军新战机杀入战场，九九式20毫米机炮更成为日本飞行员唯一有效的还击武器。
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在1937年中日战争爆发后，当时空战技术还是在拼比回旋格斗性能，具备良好机动性的水上飞机成功的和中国空军战机互角不说，甚至还有击坠对手的成绩，这让日本海军认为未来水上飞机仍有用于空战的潜力。在1939年决定开发专业的水上战斗机，代号“十五试水上战斗机”，也就是后来服役的“强风”水上战斗机。
不过，强风开发遭遇困境，没办法届时服役；日本海军在1941年决定南进政策后，非常需要在缺乏机场等基础设施的南洋群岛作战，所以需要更多性能优秀的水上飞机。
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为了尽速构成战力，日本海军打起了刚服役的优异战机---零式战斗机的主意；日本海军对中岛飞机委托，要求它们将零战一一型改造为水上战斗机。之所以找上中岛，一方面是因为三菱重工当时正忙着量产零战与一式陆攻抽不出空余；而中岛在代工零战，对零战设计并不陌生，而且又研发过许多种水上飞机，实为最适合的选择。中岛在1941年初接获命令后，由三竹忍工程师负责设计，以零战一一型为母体改造。
经过11个月的改造工程，原型机在1941年12月8日首飞，测试结果良好；1942年7月6日正式定型称“二式水上战斗机”。量产的二式水战主要配备给第海军航空队及第十四海军航空队（1942年改编号为八〇二海军航空队），北至阿留申群岛，南边在马绍尔群岛等地从事各种空中行动，包括攻击敌军基地、海上巡逻等。
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二式水上战斗机在机腹下安装了一个巨大的中央浮筒，以坚固的 V 型支柱作支撑。外段机翼下安装了辅助浮筒。保留了 A6M2 标准的发动机和军械。由于巨大的浮筒影响安定性，所以增加了尾舵面积，并安装了腹鳍，另外在浮筒里增设了附加油箱，以抵消气动阻力增加和不能安装机腹副油箱而缩减的航程。
所罗门之战中，二式水战首次投入战斗，兰克.麦考伊上校的情报小组给二式水战分配代号“RUFE”。一些 二式水战最初部署在图拉吉，对第11轰炸机团的B-17造成严重损失，这段时间还出了一个稀有的水上飞机王牌松永秀纪，他拥有26个战果，其中用“二式水战”击落8架（包括用撞击额方式击落一架B-17），但是在美军登陆瓜岛后被尽数摧毁，另外阿留申群岛战役中也使用了二式水战。
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【1943年7月12日，基地在马绍尔岛的803航空队的二式水战正在执行舰队护航任务，翼下挂载两枚60公斤反潜炸弹】
尽管装有累赘的浮筒，二式水战仍然能把试图与之缠斗的盟军飞机击落，有记录显示二式水战甚至击落过强大的P-38闪电。二式水战曾出现在整个太平洋战场，在太平洋战争后期日本海军收缩防御时，二式水战就敌不过盟军的新型战斗机了。后来这种过时的水上飞机被用来训练川西N1K1强风水上战斗机的飞行员，基地设在日本本州琵琶湖，偶尔这种飞机也执行本州防空截击任务。1941年到1943 年9月间，中岛小泉工厂一共生产了327架二式水战水上战斗机。
不过，二式水上所谓的良好空战性能终究是水上飞机标准，比起20世纪40年代量产的战斗机与新型空战概念没多少优势可言，了不起就只能作为驱赶侦查机或轰炸机用而已。量产时间仅有1年，1943年9月便停产，这批战机后续主要用于巡逻任务，也一些有作为自杀特攻使用。到1945年日本战败时，日本国内尚存24架，不过这些落后的破烂盟军也没兴趣带回国内研究，剩余的机体在1945年12月集中焚毁。而二战结束后仅有日本筑前町立大刀洗和平记念馆收藏二式水战主浮桶，不过并未公开展示。
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【1943年5月27日，加鲁特岛的日本水上飞机基地】
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【战后被英军缴获的二式水战】
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【零式二一型练习战斗机前座舱是敞开式的，有些涂成了醒目的橙色】
有少量的零式二一型练习战斗机被生产出来，她是零式二一型战斗机的双座教练机，佐世保的第21海军航空兵器工场应海军17试招标书将一架单座A6M2改装成了双座型称为A6M2K ，学员在前座教官在后座。为了容纳后座舱，将座舱扩大，这样挤占了机身油箱的位置，为了平衡增加的而去掉了机翼20毫米机炮，去除了主轮的整流板。水平尾翼前的机身上附加了一小片垂直安定条。
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【注意机徽后的一条阴影，这就是机身上附加的垂直安定条。由于零式结构的原因，A6M2K在安装第二个座椅时无需对机体进行大的改动】
海军对A6M2K进行性能评估后开始量产。自1943年11月起第21海军航空兵器工场一共制造了236架A6M2K，日立公司千叶工厂自1944年5月起制造了272架。A6M2-K双座教练机被广泛使用在日本和台湾，另外A6M2K还被改为拖靶飞机，把尾椎切除，每侧机翼下都安装了拖曳绳索容器。战争后期被改装成神风机进行特攻。
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【“萨奇剪刀”战术示意图，图片来自IL2吧】
美国的野猫飞行员在付出惨痛代价后发展出对付零式的有效战术。其中一种是“剪刀交叉”又称“萨奇交叉”，得名于VF-3中队指挥官约翰.s.萨奇少校。在这种战术中，两架野猫互相交叉飞行，互相掩护对方尾部，这样零式即使咬住其中一架野猫式，同时另一架野猫也咬住了零式，颇有“螳螂捕蝉，黄雀在后”的味道。另外在大编队作战中，野猫飞行员被提醒要尽可能保持高度，俯冲攻击敌机编队，然后利用俯冲的速度优势脱离再爬高，准备进行下一次攻击。总之“尽量避免与具有机动性优势的零式近距空战”。
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1942年4月，三菱开始量产新的零式三二型，吸收经验更换装有一级二速增压器的荣二一型发动机（1130匹马力），一方面提升速度及爬升率，并且稍微改善高空的输出状态。因为发动机增重60公斤之故而使三二型重心前倾，基于配重的理由将前机身的油箱容量减少以恢复机身纵向平衡。并将二一型主翼翼端可往上折叠的圆弧套件取消，直接改成方形翼端以缩短翼幅。这些改进减轻了航舰地勤人员的负担，并使三二型借此提高了最大时速、加速性、滚转率、最大俯冲速度，变得更适于和倾向高速打带跑与擅用滚转的美军战机对抗。
但三二型为提升空战性能所付出的代价，是损失了续航力和恶化了失速性能。原本零式战斗机不容易进入失速螺旋的特性消失，不仅造成部分飞行员抱怨，同时很不凑巧的是三二型服役的时间点正好是美日双方频繁地长距离来回跨岛攻防的瓜达尔卡纳尔血战，仍能算是远程战机的零式战斗机三二型减少的航程（三二型不带副油箱续航距离1800公里，比零式二一型少约400公里）却恰好成为战略布局弹性上的致命限制，日本航空本部甚至为此设立专案检讨"二号零式战斗机问题"。
基于以上诸多原因，顺应前线改进呼声而提升空战性能 并调整了各项性能权重，身负诸多期待的"二号零式战斗机"却因为无法适应当前新战局的改变，在前线使用者之间对该型号的评价呈现两极化。
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零式战斗机三二型的产量因为以上原因仅有343架。这也促成了远程型号"零式二二型"的诞生。
但在之后日军开始后撤的战况下，三二型的航程问题不再明显，反倒是与美军战机对战相性上的优点渐渐突显出来：1943年春，根据小福田少佐汇编的“依据战训所成战斗机用法之研究”报告之中，提及"短翼展零式战斗机"在高速下滚转性能较先前型号来得轻快，利于当前空战战局。
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1942年春季末，数量有限的A6M3部署在新几内亚/所罗门地区，准备支援入侵澳大利亚的行动。由于它有形状不同的发动机罩和平直的翼端特征，使在空战中多半仅能以剪影判别敌机的盟军飞行员将其误判为敌方新机种，盟军一开始以为这是一种全新的战斗机，于是法兰克.麦考伊上校的情报小组给A6M3 分配代号“Hap”,后来又改成“Hump” ，当盟军最终认识到这种飞机是零式的改型时，代号又改为了“Zeke 32”。
零式三二型的航炮仍然是九九式一号炮，但改良弹鼓将炮弹基数增加至100发。
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美军在瓜达尔卡纳尔岛登陆后，A6M3零式三二型被迫从1037公里外（三二型不挂副油箱航程仅有1800公里）的基地飞来攻击登陆部队。在这次作战中，A6M3暴露了航程不足的缺点。因为A6M3的荣21型1130马力发动机比荣12型油耗高，加上机身油箱容积的减小使A6M3航程短于A6M2，减少了约400公里。
为了增加航程，三菱在每侧机翼机炮外侧布置了45升的机翼油箱，恢复折叠翼尖，增加翼展，恢复了失速特性的同时也透过增加机翼面积将三二型升高的机翼载荷补偿回来。这种增程的A6M3海军定型为零式舰上战斗机二二型，它的产品代号仍然为A6M3，可能是它更类似于A6M2零式二一型。二二型在换装新的长身管20毫米九九式二号3型机炮后，称为 A6M3零式二二型甲。折叠式圆翼尖的零式二二型成为 A6M3 家族中最主要的成员，三菱共生产了560架。
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【驻扎于拉包尔的A6M3零式二二型甲，注意伸出机翼的长身管20毫米机炮炮管】
增加机翼油箱这个举动确实增加了零式二二型航程，但此时零式二二型的滚转能力与最大俯冲速度则又退回零式二一型的状态。即使如此，因为同时拥有三二型强化过的新动力与近似二一型优良的盘旋特性，仍有部分驾驶过二二型的日本飞行员认为二二型是最均衡的零式战斗机（以当时战况而言）。
更不凑巧的是，由于投入战线的时间点正好是所罗门诸岛攻防战的中期，日军在所罗门诸岛分设了多处前线基地，特意增加的航程在此时显得毫无意义.......
于是日本人只能将零式二二型/三二型归结于生不逢时。
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【九九式一号炮（上）和九九式二号炮（下），可见两者身管长度相差不少】
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【采用100发弹鼓供弹的九九式二号三型机炮】
由于初速低，弹数少的问题仍困扰着九九式航炮。海军和富冈制作所在战机减重要求变得不那么迫切之后，决定改用厄利孔FFL为蓝本重新仿制。采用20x101RB 弹，初速提升至 750m/s 的九九式二号20毫米航炮首先问世，新弹药的发射药由 13.6克增加到21.6克，炮管长度也增加了不少。随后，富冈所又仿制了FFL的100发大型弹鼓，装备九九式二号三型机炮。不过用弹鼓供弹100发几乎已经是上限，幸好德国MG151 20mm航炮技术的到达终于让富冈所解决了弹药数量不足的问题。
零式二二型的后期生产型改用加长炮管的九九式二号炮，这批型号称为零式二二型甲。此种提高贯穿力、弹道特性与射程的新款机炮之后也用于零式战斗机五二型。
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零式战斗机曾经在太平洋战争初期产生所谓的零式战斗机神话，被视为不可能被击败的无敌战机。后期的学者们分析，这个神话造成来自几种不同的因素：
1.西方国家当时普遍不相信一个东方国家造的战斗机性能可以达到一个超过他们想像的水平。
2.虽然陈纳德已把有关零式战斗机的性能情报交给美国，但却未受到重视。
3.初期与零式战斗机遭遇的时候，飞行员普遍使用错误战术以及受到经验不足的影响。而这与盟军将太平洋战区视为次要战区的态度也有关系。
4.战争初期日本海军航空队的飞行员训练扎实、实战经验丰富。根据美军官方文件表示，战争初期的零式战斗机与美军战斗机的交换比（Kill Ratio）为1：6。
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美军在前期的一系列失败之后，终于，开战6个月后在珊瑚海战役中，零式战斗机终于受到了F4F野猫战斗机强有力的挑战，但不是飞机性能而是团队战术：零式战斗机大多单打独斗，而F4F战斗机以2机一组协同作战。至此零式战斗机装甲较薄弱、发动机功率较低的弱点逐渐暴露出来。
在那段日子中盟军唯一的亮点就是飞虎队——美国援华志愿航空队。1941年12月20日，日军空袭昆明时，飞虎队首次参战。飞虎队的P-40B都绘有吓人的鲨鱼嘴，借以打击日军飞行员的士气。虽然P-40B机动性不如A6M2，但俯冲速度要快很多。利用这项优势，飞虎队采用高速俯冲，打了就跑的战术，避免与零式纠缠。在1942年飞虎队并入第14航空队前，他们已经摧毁了286架日本飞机（包括空中与地面的），自己仅损失13名飞行员。
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【阿库坦岛上迫降失败的零式战斗机，隶属于日本海军龙骧号航母，飞行员为古贺忠义】
1942年6月，对于盟军打破零式称霸天空所向无敌的局面来说是个重要日子。中途岛战役，载满燃油的零战在即将起飞前被击毁于航母飞行甲板上，这也是零战从得意到失意的一个转折点。
6月3日，古贺忠义兵曹长驾驶一架零式从龙骧号起飞对荷兰港进行袭击，返航途中发现飞机燃料发生泄漏，无法返回母舰，不得不紧急迫降在一个荒岛阿库坦岛的苔原上。松软的苔原陷住了机轮，机身翻倒，折断了古贺忠义的脖子。
5周后，一支美国搜索队发现了这架飞机和倒吊在座椅上死去的古贺忠义。飞机除了燃料箱上被地面机枪击穿两个洞外，几乎完好无损。这是美军在太平洋战争期间最重要的缴获品。美军立即将飞机清洗装箱运回美国，修复并进行试飞，欣喜的美国人对它进行了彻底的分析，通过试飞寻找对付零式的办法和针对零式的特点设计新型战斗机。
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【日本海军飞行员古贺忠义一飞曹生前照片】
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【被美军从零式座舱中找到的古贺忠义一飞曹尸体，此君迫降时被折断了脖子，但尸体仍然固定在零式的驾驶舱中】
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【另一角度拍摄的阿库坦岛上迫降失败的零式战斗机】
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【珍贵的抓拍照片，拍摄者为驻守荷兰港的美国士兵，时间为1942年6月4日，当天古贺一飞曹的A6M2在荷兰港上空被击中油路。古贺参加的三机编队刚刚击落了一架PBY水上飞机，此人在扫射地面幸存者时被高射火力击中冒烟】
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【阿库坦岛上，美国海军人员爬上古贺的损坏零式进行检查，队伍中个头最小的家伙硬着头皮爬进座舱割断古贺的安全带，拖出了古贺高度腐烂的尸体。回收队对古贺的尸体拍照后就在附近挖了个浅坑埋葬，还竖了一个十字架，上书“日本阵亡飞行员”，并由牧师至了悼词】
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【美军在另一角度拍摄的坠毁零式照片】
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【古贺的零式很快就以“阿库坦零式”闻名，照片中该机正从荷兰港的驳船上起吊到“圣米雪”号驱逐舰上准备运往华盛顿州西雅图。抵达西雅图后，阿库坦零式被另一艘驳船运到圣迭戈附近的北岛海军航空站进行维修，需要矫正垂尾，还要维修发动机、方向舵、翼尖、襟翼和座舱盖】
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【已被修复一新的阿库坦零式，重新涂上了美军机徽】
美军进行了数次试飞之后，得出了结论：
1.零式的爬升率和转弯半径极好，能轻易超过F4F野猫和P-40，在低空时用这两种飞机和零式进行缠斗无异于自杀。但如果在高空时，零式优异的垂直机动性能开始恶化，原因是副翼的动作出现呆滞，反应变缓。（主要是由于机体强度不足，导致高速时易发生副翼反效。）
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【美军地勤人员正在擦拭维护“阿库坦零式”】
2.零式的俯冲速度不快，在战斗中如果被零式咬尾，应立即以高速度俯冲并滚转，通常可以摆脱。被咬住的零式能通过做小半径转弯轻易摆脱，所以盟军飞行员一定要保持高速，避免陷入低速纠缠。但切记不可使用爬升手段摆脱，也不要追击急剧爬升的零式，否则死路一条。由于零式采用的中岛荣12星型气冷发动机采用浮动式化油器的设计，高速俯冲时易造成发动机熄火（这个问题在零式系列型号中一直没有解决）。另外零式机翼结构存在严重缺陷，俯冲速度受到限制，如果速度过快飞机很容易解体。
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【正在起飞准备进行试飞的“阿库坦零式”】
3.零式为了减轻重量，没有安装自密封油箱和任何自动灭火装置，飞行员也没有装甲保护，由于新采用的五十岚式铝合金，材料含有大量的镁（镁是烟花中主要材料之一，含有镁的铝合金在低温条件下性能优良，但是高温下包括屈服强度等机械性能数据会急剧恶化）所有机体表面中弹就可能引起飞机着火，在太平洋地区美军战斗机改装备穿甲燃烧弹，这种子弹非常容易穿透零式的铝合金蒙皮，并引燃整架飞机。