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至于什么时候是时机适合的时候，多蒙德海军上尉认为那就是美国航母舰载机在起飞和降落的时候，这时航母都必须进入起飞阵位，也就是说逆风前进，以迎面吹来的海风给飞机以足够的升力，降落也大致一样，用逆风为降落的飞机减速，这个时候航母运行航线十分呆板，没有办法对潜艇发射的鱼雷实施规避。
多蒙德海军上尉认为在这连两个机会中最适合的机会就是美国舰载机攻击完成后返航在航母上空盘旋的时候，这时飞机油箱内的燃油不会很多，这个时候就是最合适的时候。如果飞机不能降落在航母上，除非航母很靠近岸边，否则飞机都只有在海上迫降的份。而且迫降在海面上的飞机还会干扰驱逐舰对潜艇的搜索和攻击。潜艇只要想出办法接近航母，进入鱼雷发射阵位就可以说是胜券在握了。
在日本舰队这边，7时55分，美军的岸基飞机又来了。先是亨德森少校率领的16架SBD‘无畏’俯冲轰炸机抵达战场，由于他属下的飞行员都是刚从航校毕业的新手，没有俯冲轰炸的经验，亨德森只好组织从600米高度进行下滑攻击，当他为那些新手做下滑攻击的示范的时候，被日军驱逐舰高射炮命中，在后面的美国飞行员虽然是菜鸟，但是也冒着日军的高射炮进行攻击。但被击落8架，重创6架，投下的炸弹无一命中。随后是斯威尼少校指挥的部队，在日军战斗机拦截和舰炮射击下，被击落5架，只有4架进行了攻击，也未获战果。
在这个时候，正在舰桥里看着美国飞机进攻的南云突然接到了一架侦察机的报告，称在距离日本舰队200海里处发现10艘美舰。
这个电报把南云和他的参谋长草鹿都给吓了一跳，美国舰队怎么会来得这么快，里面有没有航母？但是这报告很模糊，没有美国舰队的舰艇编成。不过草鹿认为这个美国舰队可能没有航母，不能中断甲板上刚才奉南云的命令正在进行鱼雷换装炸弹的任务。而南云认为这样规模的舰队里面没有航母是不大可能的，他立即命令侦察机抓紧侦察清楚美国舰队的舰艇编成。
不过他在参谋的建议中没有下达命令停止甲板上的飞机换装炸弹的工作，而是在等待侦察机的补充报告，潜意识里他还是把中途岛的美国陆基飞机当作是最大的敌人。
二十分钟后，日军侦察机紧急报告在美军舰队后面似乎有1艘航母，尽管还是模棱两可的报告，但南云认为自己不能再任由飞行甲板上的鱼雷换炸弹的工作继续下去，现在眼前的重要任务是对付这支突然冒出来的美国舰队。中途岛只有先放到一边去了，因为根据侦察机的报告，日本舰队现在应处在美国航母舰载机的攻击半径之内了。
他马上下令停止换炸弹，重新为甲板上的飞机装上鱼雷。这一连串的换炸弹换鱼雷的命令，使得日军航母的甲板上和机库里非常混乱，卸下的炸弹鱼雷由于时间仓促，都堆放在一边，而未及时放入弹药舱，日本舰队的军械员并未意识到这是在为自己和舰队在挖掘坟墓。
8时30分，日军攻击中途岛的第一批飞机飞回母舰上空，准备降落。这时南云正处于左右为难的局面，‘赤城’号和‘加贺’号的攻击机正在进行换弹作业，一时无法起飞，‘苍龙’号和‘飞龙’号的攻击机还没有开始换弹，可以立即起飞，但所有战斗机都因为刚才抗击美军岸基飞机的战斗，急需补充燃料和弹药，无法马上出动为攻击机护航。
如果强行命令甲板上的第二波飞机起飞，可能会因没有战斗机掩护而损失惨重。他刚才是怎么击落美国战机，等他的飞机飞到美国舰队上空，美国人就会怎么回敬他的机队。
如果先清理甲板让第一波飞机降落，又可能会失去战机。参谋长草鹿少将和作战参谋源田实中佐都认为应先清理甲板，让第一波飞机降落，再组织第二波攻击。‘飞龙’号航母上的第二航母战队司令山口多闻少将见南云迟迟没有采取应对措施，便通过‘野分’号驱逐舰用灯光信号向南云转发了他的建议：“我认为应立即命令攻击部队起飞！”
南云没有接受山口多闻他的建议，他命令将在甲板上的飞机收入机库，腾出甲板让第一波飞机和在舰队上空即将耗尽燃料的巡逻战斗机降落。8时37分，开始接收飞机着舰。十五分钟后，飞机回收完毕，机库里疲惫不堪的地勤人员放下尚未完成的换弹任务，为这些飞机加注燃料、装弹。
9时18分，执行巡逻任务的战斗机也全部降落完毕，机库里一片忙碌。50架战斗机加油装弹完立即起飞，在舰队上空巡逻警戒。
在回收飞机的作业基本完成后，南云下令沿30度航向以30节航速北进，以躲避美国航母有可能发动的攻击并在准备好后尽快占领有利的攻击阵位。
就在此时，来自美军航母舰载机的攻击开始了。最先飞抵目标海域的是‘大黄蜂’号的35架轰炸机和10架战斗机，却未发现日舰。美国飞行员认为南云一定是向中途岛进发了，因此转向西南向中途岛飞去。结果越追离南云舰队越远，21架轰炸机返回了母舰，14架轰炸机返回了中途岛，其中4架在着陆时坠毁，10架战斗机则因燃料耗尽都在海上迫降。
与轰炸机群和战斗机群失散的‘大黄蜂’号的15架鱼雷机，由第八鱼雷机中队长沃尔德伦少校率领，在低空飞行，当他们在预定海区见到空荡荡的大海的时候，沃尔德伦少校作出了向北搜索的决定。
很快沃尔德伦少校就在远处的海面上发现了一只庞大的舰队，沃尔德伦少校在通话器里对属下们说：“先生们，我们没有战斗机的掩护，但我希望大家竭力去摧毁我们的敌人，如果只剩下一架飞机去执行最后的进攻，我希望那个勇敢的小伙子冲上去并击中目标，愿上帝保佑大家！”
说完后沃尔德伦少校带着燃油即将消耗完的机群在没有任何掩护的情况下发动了攻击，这是一场壮烈的自杀攻击行动，在空中的日军战斗机和舰艇上的高射炮火的攻击中，笨拙的‘复仇者’鱼雷攻击机一架接一架在空中被击中，然后起火爆炸，参与攻击的30名飞行员只有一名幸存。
9时30分，‘企业’号的由林塞少校指挥的14架鱼雷机与他们的护航战斗机失散，由于战斗机要占据对日军战机的高度优势，一直在云上飞行，等林塞少校发现日本舰队的时候，他的机队已经没有了掩护，林塞机队单独飞临日舰上空，分成两组，向‘赤城’号航母两舷实施鱼雷攻击。
‘赤城’号航母的对空了望哨大声急喊：“敌鱼雷机，左舷30度、右舷30度，低空接近。”
在日军战斗机的凶猛拦击下，有9架在投下鱼雷前就被击落，余下5架投下的鱼雷无一命中，又被击落1架，返航中又有3架因受伤太重而坠海，最后仅1架返回母舰。
‘约克城’号的舰载机虽比其他两艘航母晚起飞一个多小时，但航向偏北，而且又在途中知道了日舰的新位置，迅速更正航线，所以只晚到了几分钟，紧接着‘企业’号的鱼雷机发起了攻击。12架鱼雷机在6架战斗机掩护下攻击了‘苍龙’号航母，虽然日军战斗机拼命阻拦，但是还是有7架战机突破拦截，向目标发射了鱼雷，‘苍龙’号航母见势不妙，一个右满舵，躲开了全部的鱼雷。美国攻击机群损失10架鱼雷机和5架战斗机，未获任何战果。美国唯一一个没有损失的攻击编队是由斯威尼少校指挥的陆航B…17‘空中堡垒’重轰炸机，美国人在6000米高空实施水平轰炸，日军的高射炮够不着美国飞机，可美国飞机扔下来的炸弹也因为精度太差没有伤到一艘日本军舰（本来就不是对精确攻击的武器，只适合对面目标实施轰炸）。
从清晨到现在，美军的岸基飞机和舰载机共出动了99架次，损失62架，却毫无收获，日本水兵精神焕发，认为这是他们的‘天照大神’对他们的保佑，但是他们没有意识到正是驾驶老式鱼雷机的美国飞行员具有的牺牲精神，为后来的俯冲轰炸机铺平了路。
‘企业’号的第六轰炸机中队和‘约克城’号的第八轰炸机中队一样在预定海域没有发现日舰，但领队长机第六轰炸机中队中队长麦克拉斯少校作出了一个极为重要而又明智的决定：向北搜索！
终于在10时找到了日军舰队。这时日军的4艘航母正排成菱形队形向北航行，‘飞龙’号在北，‘加贺’号在南，‘赤城’号在西，‘苍龙’号在东。美机从西南方向接近，麦克拉斯将33架轰炸机分为两组，分别向最近的‘赤城’号和‘加贺’号进行集中攻击。
在‘赤城’号飞行甲板上，所有飞机的发动机都已开始转动，航母也开始转向逆风航行，五分钟之内，全部飞机便可起飞。
此时天空能见度良好，云高3000米，天高云淡，为美机的攻击提供了很好的条件。10时24分，‘赤城’号发出开始起飞的命令，飞行长摇动着小白旗，第一架零式开足马力，飞离了飞行甲板。就在这时，瞭望哨惊恐的高声叫道：“敌俯冲轰炸机，俯冲轰炸机！”
甲板上听见叫声的日本水兵和军官抬头向天空看去，发现三架美机朝‘赤城’号笔直俯冲下来，虽然日舰的部分高射炮开始射击，但已时已晚！美机从容攻击没有遭到截击，是因为日军担负空中警戒的战斗机刚刚因拦截美军鱼雷机而耗尽燃料、弹药，已经全部着舰补给，空中没有一架警戒的战斗机！
日军航母根本来不及进行规避，而且是处在最易受攻击的脆弱情况下，—正在逆风航行进行起飞作业，飞行甲板上摆满了装好弹药和加好油准备出击的飞机！‘赤城号’被直接命中两枚450千克炸弹，一枚落在中部升降机后部，另一枚落在飞行甲板左舷后段。本来两枚炸弹对这艘巨大的航母根本不会造成致命损伤，但是，炸弹迅疾引爆了甲板上满载油弹的飞机，火势迅速蔓延，转瞬之间航母的作战能力便完全丧失了，特别是通讯联系全部中断！
南云的指挥中断后，南云的次席指挥官、第八巡洋舰战队司令阿部弘毅海军少将立即接过指挥权。与此同时，第二航母战队司令山口多闻海军少将接替了空中作战的指挥。南云的参谋长草鹿海军少将主张立即将司令部转移到‘长良’号巡洋舰，南云实在不忍离开心爱的旗舰，尤其不愿舍弃在从战争开始便和他一起同甘共苦的‘赤城’号官兵，青木舰长含着眼泪说：“长官，有我照管军舰，我们大家都恳求您转移到长良号，继续指挥部队。”
草鹿又向南云作了离开旗舰的最后请求，南云知道已无法再在‘赤城’号上继续指挥了，于是跟青木舰长告别，由西林副官扶着爬上舰桥的窗口，沿着绳子滑到甲板上，参谋长以及其他司令部人员，跟着也离开了烈火熊熊的舰桥。
11时30分，南云及其司令部人员和“赤城”号伤员全都转移到了“长良”号，“赤城”号上的舰员仍在努力控制火势，但是伤亡不断增加，火势也越来越无法控制了。青木舰长决定弃舰，‘岚’号和‘野分’号驱逐舰赶来接下全部人员，拯救工作结束后，青木舰长于19时20分从‘野分’号驱逐舰致电南云请求批准将‘赤城’号炸沉。第二天凌晨‘赤城’号被击沉。
几乎和‘赤城’号同时被击中的‘加贺’号就没有能坚持那么久。10时24分，九架美机向它俯冲，各投下一枚炸弹，头三枚炸弹都没有命中，在‘加贺’号四周掀起了高大的水柱，但接着的六枚炸弹中有四枚击中了‘加贺’号飞行甲板的前段、中段和后段。击中舰首的炸弹正好落在舰桥旁边，炸中了停在那里的一辆小加油车，整个舰桥和四周的甲板区顿时起火，并引发巨大爆炸，舰长冈田次作海军大佐以及在指挥舰桥的所有军官都当场毙命。
飞行长天谷孝久海军中佐立即接替了该舰的指挥。到处都是烈火，整个军舰上几乎找不到一处可以躲避的地方，天谷中佐等幸存者，不得不撤到右舷的小船甲板上躲避。在遭到轰炸三个半小时后，航母开始倾斜，14时10分，损管军官国定美男海军少佐发现三道白色雷迹向“加贺”号疾驰而来！那是美军‘魟鱼’号潜艇所发射的，“魟鱼”号从当天早上起就与日军舰队保持着接触，还遭到过日舰两次深弹攻击。9时许发现日军航母，在接敌过程中被一艘日军驱逐舰发现，并遭到深弹攻击，‘魟鱼’号一边下潜躲避攻击，一边从水下接近航母。10时30分在潜望镜深度发现一艘日军冒着浓烟的航母，迅疾向这艘航母接近。14时在2500米距离齐射三条鱼雷！看来它们是一定会击中‘加贺’号的。国定少佐闭上眼睛，一边等待爆炸一边祈祷，两条鱼雷从舰旁驰过，第三条鱼雷击中了‘加贺’号，但却没有爆炸。这条鱼雷击中军舰后斜滑出去，断成两截，前段立即沉没，带着气仓的后半段仍在水上漂着。
保护‘加贺’号的‘萩风’号和‘舞风’号驱逐舰在发生鱼雷攻击前，并未发现美国潜艇，此时才醒悟过来疾驶到潜艇所在的地点，进行深水炸弹攻击，但效果不明，见再没有潜艇的踪迹，两艘驱逐舰便返回继续进行救援工作。这时，火势在‘加贺’号上越来越猛，已无法控制。
16时40分，天谷下令弃舰，人员转移到在旁等待的‘萩风’号和‘舞风’号驱逐舰。两小时后，航母火势减弱，天谷又带领损管队返回航母，希望能挽救这艘航母，但没有成功，只好再次撤出。19时25分‘加贺’号在两声剧烈爆炸后沉没。
10时35分，十三架俯冲轰炸机朝着‘苍龙’号垂直俯冲下来，‘苍龙’号在几分钟之内就被三枚炸弹击中，第一枚炸弹命中舰身前部升降机前的飞行甲板，另两枚则炸弹击中了中部升降机，飞行甲板被剧烈的爆炸炸得面目全非，烈火迅速蔓延到油库和弹药库，仅仅五分钟，‘苍龙’号就完全被浓烟烈火所笼罩，火海之中不时响起阵阵爆炸，十分钟后，主机停车，轮舵系统失灵，损管系统因破坏严重而无法正常运行，二十