Dans un programme de 1943, le haut commandement s’était adressé au constructeur Kawasaki pour donner un successeur au Ki.45 Toryu. Les ingénieurs de la firme n’eurent pas de difficultés à répondre à cette sollicitation. Un perfectionnement de la cellule du Toryu avait déjà donné naissance à un monoplace de chasse bimoteur, le Ki.96, dont le développement avait été abandonné après 3 prototypes. La cellule du Ki.96 fut réutilisée, remotorisée, et un premier prototype du nouvel appareil vola dès mars 1944. Il était un peu moins rapide que son aîné, mais les militaires s’en contentèrent et décidèrent la construction de 20 Ki.102.
L’appareil possédait des réservoirs auto-obturants de qualité, mais l’équipage n’était pas mieux protégé que dans le Ki. 45 ; destiné à intercepter les B-29, l’armement consistait en 2 canons de 20 mm et 1 canon de 57 mm alimenté à 15 obus, tirant en chasse, et une mitrailleuse mobile de 12,7 mm tirant vers l’arrière, ainsi que 500 Kg de bombes. Il ne montra cependant guère d’aptitude comme chasseur lourd à cause de ses moteurs. En revanche, ses pilotes découvrirent en lui une machine idéale pour l’attaque au sol, tout en restant une proie facile pour la chasse adverse.
La production en série commença en octobre 1944, l’armée le prit en compte sous la désignation d’avion d’assaut de l’Armée Ki.102b ou Type B modèle 4 et il entra en service en novembre. Pour améliorer les qualités de l’appareil, Kawasaki adapta en hâte sur une cellule 2 moteurs Mitsubishi Ha-112-II Ru turbo-compressés de 1370 Ch. L’avion fut allégé en remplaçant le canon de 57 mm par une arme de 37 mm à tube long et en supprimant la mitrailleuse. Le Ki.102 devint ainsi plus véloce et son plafond passa de 11000 à 13000 mètres. Au cours de la production en série du Ki.102b, l’armée fit adapter sur plusieurs exemplaires le moteur turbo-compressé et les avions furent désignés Ki.102a. Ce ne fut pas une réussite, les turbo-compresseurs manquant de fiabilité, et la modification ne concerna que 25 appareils.
Pendant l’hiver 1944-45, l’armée réclama un chasseur de nuit. La cellule du Ki.102b fut allongée pour abriter un radar d’interception AI, l’empennage fut modifié et la voilure augmentée. L’avion, qui prit la désignation de Ki.102c, devait emporter 2 canons axiaux de 30 mm et 2 canons de 20 mm tirant à 45° vers le haut, mais les deux prototypes furent endommagés lors d’un bombardement, le 26 juin 1945.
Pour le même programme, Kawasaki utilisa une cellule de Ki.102a modifiée et produisit 2 prototypes de monoplace à cabine pressurisée Ki.108 KAI, qui montaient à 13500 m et atteignaient 580 Km/h à 10000 m. Mais le Japon capitula avant les essais. Produit à 240 exemplaires, Le successeur du Toryu arriva trop tard, souffrit d’un manque de qualification d’une grande partie de ses équipages, et ne donna jamais la pleine mesure de ses moyens.
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