但是由於天氣原因，追擊很不理想，直到下午2點半鐘仍然沒有什麼結果，薛慶功果斷下令機羣返航，因爲他知道段昌榮率領的52特混艦隊已經趕到了種子島以東洋麪，開始了截擊聯合艦隊剩餘部隊的作戰行動。
8月16日下午，種子島東海域。
“嘿！日本的戰鬥力還行啊，居然一口氣擊沉我們兩艘航母，”在旗艦祁連山號航空母艦的作戰指揮室裡段昌榮接到了薛慶功發來的電報，“大意失荊州啊！本來想着在九州西面海域伏擊他們，結果讓人家一下子咬了兩口。”
“司令員，您也別太沮喪，我們好歹也擊沉敵航母六艘。”52特混編隊參謀長秋林經少將說道。
“老秋啊，這還說什麼啊？那可是山脈級航母啊，我們總共才裝備了六艘，這就玩兒完兩艘。”段昌榮還是一臉悲傷，“我們的真正對手可是美國人，主力不能就這樣損失掉。”
“報告！偵查潛艇發來敵聯合艦隊方位。”參謀軍官跑步進來。
“這麼快！”秋林經感到很驚訝。
“呵呵！海航4師蘭慶賀都把大體方位告訴我們了，這有什麼好奇怪的！”段昌榮果斷命令道，“海航5師、6師作爲第一波立即起飛；海航7師以及海航8師魚雷轟炸機團作爲第二波一個小時候起飛；海航8師殲擊機團、殲擊轟炸機團作爲艦隊防空戰鬥機分兩批交替巡邏，保衛艦隊安全。”
“是，我馬上安排！”秋林經一下子來了精神，“海航第2軍副軍長兼5師師長修偉大校作爲第5師、6師的統一指揮吧。”在得到薛慶功肯定的眼神後，秋林經立即下達命令去了。
在這場被後來歷史學家稱爲“南日本海大海戰”的戰鬥中，海航5師、7師攻擊日軍聯合艦隊旗艦大和號超級戰列艦可以使整個戰役的最*部分了。
山本五十六是一個非常虔誠的大炮鉅艦主義者，即使在聯合艦隊已經裝備了十多艘航空母艦後，他自己乘坐的旗艦仍然是自己心目中最完美的大和號。
下午16時，就在日本聯合艦隊剛剛與51特混艦隊脫離接觸一個小時，海航5師的第一波40架魚轟—3羣就飛到了日本航母編隊的上空。日軍航母上的艦載機立即升空進行攔截，雖然日軍升空了30架戰鬥機，而帝國海軍航空兵有36護航海殲—4殲擊機，佔有數量優勢的帝國海軍航空兵戰鬥機卻很快便獲得了戰場上的優勢。經過不到十分鐘的空戰，在擊落了24架日軍戰鬥機後，餘下的6架戰鬥機不得不逃向附近的種子島機場。
但帝國海軍航空兵艦載機的攻擊也並不理想，40架殲轟—2的俯衝轟炸，雖然使大和號被擊中了3枚250公斤級炸彈，但卻並沒有造成嚴重傷害，而帝國海軍航空兵已經有12架帝國海軍航空兵魚轟—3被日軍戰鬥機擊落。
因爲帝國海軍航空兵的艦載殲擊機數量佔優勢，所以日軍戰鬥機並不刻意與海殲—4糾纏，而是將主要目標放在正在進行俯衝準備的魚轟—3上。帝國海軍航空兵5師第一次的
攻擊顯得有些潦草，很快就飛了回去。
海航5師的第二次48架魚轟—3羣也遇到了日軍前出艦載戰鬥機地攔截。雖然帝國海軍航空兵魚轟—3羣都攜帶了魚雷，但由於本身的速度較高，加上後座飛行員上的活動機槍的威脅，日軍戰鬥機的戰果並不怎麼樣，只是衝散了帝國海軍航空兵機羣的編隊。
第二次進攻也受到很大威脅，看到18架俯衝魚轟—3被日軍戰鬥機擊落後，第三次進攻的24架魚轟—3機羣到了，這使得魚雷機總數達到了54架，並有24架艦載殲擊機護航。
這波機羣於到達日軍航母艦隊的上空，在艦隊上空警戒的20架日軍戰鬥機立即迎向了帝國海軍航空兵機羣。飛在最前面佔有數量優勢的帝國海軍航空兵護航戰鬥機並沒有給日軍戰鬥機任何機會，直接將其全部擊落，沒有一架日軍戰鬥機能夠抵近魚轟—3羣。
究在這個關鍵時刻，海航6師分成兩批的帝國海軍航空兵殲轟—2也開始向大和號發起了攻擊。雖然在進入俯衝和投彈前，就被日軍艦隊上的高炮擊落了8架飛機，但其餘的殲轟—2仍然成功地投下了炸彈。
在這樣猛烈的進攻之下，大和號地左舷被三枚250公斤級炸彈擊中，摧毀了三座高炮炮位。不到一分鐘，又一枚250公斤級炸彈擊中了甲板前部。
令人最爲興奮的是，一枚250公斤級航空炸彈擊中了艦島上的指揮部附近建築物，山本五十六沒有受傷，立即緊急轉移到武藏號上。
隨着四架殲轟—2從後面襲來，有一枚250公斤級炸彈落在了甲板的後部，甲板上引起了大火，又一枚250公斤級炸彈落在了艦體右舷吃水線附近，一下子就炸開了一個大洞，海水立即涌了進去。過了兩分鐘一枚250公斤級炸彈落在了艦艇後部，這枚近失彈還摧毀了一個的推進器，航速也立即降了下來。
隨着海航6師的進攻接近尾聲，2枚250公斤級炸彈分別落在甲板的中部和前部，引起的大火無法撲滅。大火開始逐漸向艦體下部的艙室曼延。這使艦體的傾斜已經不可避免，很快，最後一擊開始了。
在帝國海軍航空兵魚轟—3羣離大和號還有約2公里遠時，大和號上的主炮開始了對空射擊。帝國海軍航空兵機羣毫髮未傷。
17時，攻擊大和號的第四次機羣到達日軍聯合艦隊上空，24架殲轟—2轟炸機立即對護航的2艘重巡洋艦進行攻擊。36架海殲—4殲擊機也立即對大和號上的高炮進行掃射壓制，48架魚轟—3魚雷機則撲向大和號。
日軍2艘重巡洋艦不顧一切地向帝國海軍航空兵的攻擊機羣發射防空炮彈，但是效果甚微。這兩艘重巡洋艦也很倒黴，黑羽號重巡洋艦地艦體中部被一枚250公斤炸彈擊中，炸燬了3座高炮。接着又一枚炸彈直接命中甲板中部，並且貫穿甲板到了彈藥庫，艦體燃起大火。不到2分鐘，2枚炸彈分別擊中了艦艏和艦橋，將艦艏炸飛，並使艦橋上的所有人員全部斃命。
而京都號重巡洋艦則被一枚炸彈擊穿了煙囪，整個鍋爐房被摧毀，巨大的殉爆將整個艦體中部炸裂，海水涌入後，不到10分鐘，便淹沒到了煙囪底部。
好不容易衝到發射陣位的48架帝國海軍航空兵的魚轟—3，紛紛投下了魚雷，但經過大和號的規避，只有6枚魚雷擊中目標。
就在這時，第五批魚轟—3羣到達艦隊上空，此波機羣中，海殲—4有12架、殲轟—2有32架、魚轟—3仍然是48架。天色已經開始變得有些灰暗了，所以帝國海軍航空兵機羣抓緊時間立即進
行了攻擊。帝國海軍航空兵魚雷機羣立即分散撲向了大和號。
但此時，由於燃料即將耗盡，正在對大和號地高炮炮位進行掃射的帝國海軍航空兵戰鬥機突然撤走，開始向西北急速飛去。而魚雷機也不管大和號是否能夠有效規避魚雷，在較遠的地方就匆匆地投下了魚雷，然後掉頭返航。
雖然對大和號戰列艦的攻擊不太順利，但是其他艦載機部隊的攻擊取得了輝煌的戰果。鳳翔號、海鷹號兩艘航母被徹底擊沉；榛名號、伊勢號兩艘戰列艦被打成了重傷，之後受到了早已隱蔽靠近到艦隊周圍的帝國海軍潛艇部隊的照顧；霧島號、陸奧號兩艘戰列艦被擊沉，海航5師、6師對聯合艦隊的攻擊就這樣結束了。
18時，帝國海軍航空兵第7師、8師的聯合魚雷機羣兩個團很快地就衝進了防禦圈，並對大和號發起了開戰以來最大的一次航空魚雷攻擊。48枚魚雷從各個方向快速地撲向大和號，雖然大和號進行了各種規避機動，但仍有16枚魚雷擊中目標。
參與攻擊的還有36架殲轟—2，這一波次的攻擊，所有的殲轟—2都攜帶了500公斤級的穿甲炸彈。對大和號這樣龐大的目標，攻擊是非常成功的，有12枚穿甲炸彈命中該艦。
18時30分，這艘被日本海軍看作是聯合艦隊象徵的戰列艦終於緩緩下沉了。
20點，山本五十六在已經被重傷並撤出戰鬥的的武藏號戰列艦上收到了整個艦隊主力被全殲的消息，南雲忠一中將在海鷹號沉沒時也隨艦玉碎，傳達這個消息的就是聯合艦隊的另一員大將草鹿龍介之。
但是對於山本五十六來說，厄運並沒有就此結束。武藏號在第二天凌晨途徑豐後水道時遭到了帝國海軍一箇中隊四艘潛艇的攻擊，這艘大和號的姊妹艦帶着他們的司令長官沉入了海底。
在武藏號戰列艦沉沒之際，山本五十六叫來源田實向東京發出了最後一封電報：“天皇陛下，吾等率領帝國海軍之聯合艦隊力求挽救帝國海洋之危局，吾等雖力戰不退，怎奈敵艦隊實力太過強大，最終遭致艦隊之全體玉碎，吾只能以死盡忠於帝國，願帝國武運長久，天皇陛下萬歲！”
至此，南日本海大海戰全部結束。唐帝國海軍從沖繩島被偷襲到沖繩以東洋麪攻擊聯合艦隊再到種子島以東洋麪全殲聯合艦隊，可以說是從最初的被動而後漸入佳境。
此役，日本聯合艦隊主力全部損失殆盡，包括8艘航母、6艘戰列艦在內的主力艦艇被悉數摧毀；384架艦載機基本上被全殲，最後一批有經驗的優秀飛行員也全部犧牲；聯合艦隊其他水面作戰艦艇也是損失慘重。至此，除逃竄之敵以及在本土各港口包括巡洋艦、驅逐艦、潛艇在內近五十艘艦艇外，日本海軍主力遭到了全殲。
與此同時，唐帝國海軍也付出了慘重的代價。空軍在沖繩島遭受偷襲時損失飛機將近300架；海軍在整個戰役中損失航空母艦2艘，另有四艘航母遭到損傷；巡洋艦被擊沉4艘，包括戰列巡洋艦在內共有10艘巡洋艦損傷；驅逐艦被擊沉8艘，損傷6艘；海軍航空兵參戰部隊共有8個航空兵師960架作戰飛機，損失達到了近300架，所幸的是有一大半飛行員跳傘成功，之後被救回。這8個海軍航空師經受住了戰火的考驗，鍛鍊了飛行員，這爲以後的海上航空作戰奠定了基礎。
通過這次規模巨大的海戰，帝國海軍終於牢牢地掌握了整個西太平洋地區的制海權，這位下一步登陸日本本土作戰打下了堅實的基礎。
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（本章完）