Au début de 1938, l’Armée Impériale émit une directive concernant un bombardier lourd puissant, rapide et bien armé, capable de se passer de chasseurs d’escorte. Nakajima s’investit dans ce programme et mit au point un prototype dont le vol inaugural eut lieu dès les premiers mois de 1939. Agréé tardivement par les autorités en 1940, il reçut la désignation de Ki. 49-I ou Type 100 (Pour 1940) et fut surnommé Donryu (Dragon de l’orage). La production en série commença aussitôt.
C’était un appareil bimoteur à aile médiane, entièrement métallique et à train d’atterrissage classique escamotable. Le constructeur l’avait équipé d’importants blindages et de réservoirs auto-obturants, ce qui était relativement rare au Japon à cette époque. L’armement consistait en 1 canon de 20 mm et 5 mitrailleuses de 7,7 mm, dont, pour la première fois, deux en tourelle à la queue de l’appareil. Il était motorisé avec deux Nakajima de 950 Ch et par conséquent ses performances étaient très moyennes. Malheureusement, en 1941, les Japonais qui n’accordaient guère d’importance à ces détails, ne virent dans le Donryu (code allié « Helen« ) qu’un avion plus délicat à piloter que les autres et peu performant. La production, lente, de 129 exemplaires ne permit aux unités de bombardement de recevoir leurs appareils qu’en août 1942.
À cette même époque, Nakajima décida de corriger ces défauts en installant des moteurs Ha 109 type 2 de 1520 Ch ; le nouvel appareil prit la désignation de Ki. 49-II et ses performances étaient à peine meilleures que celles de son prédécesseur. Il fut construit à 699 exemplaires par Nakajima (567), Tachikawa (50), et Mandchu Mansyu (82) entre l’été 1942 et la fin 1944.
Après avoir subi des pertes terribles, le Ki.49 Donryu fut relégué à la surveillance anti-sous-marine et au transport. À la fin de 1943, avec le nouveau moteur Nakajima Ha 117 de 2420 Ch, le constructeur envisagea un Ki. 49-III, mais six prototypes seulement furent réalisés.
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