8月8日八时许，一架澳大利亚的侦察机第三次发现了三川舰队，但飞行员出于无线电沉默的考虑，没及时报告。下午返回基地后又不以为然，用过点心后才向上级报告，足足耽误了六小时，使得美军来不及再派出飞机侦察核实。更要命的是他还把这支舰队的编成错报为2艘水上飞机母舰、3艘巡洋舰、3艘驱逐舰。使登陆编队司令特纳错误判断为这样的舰队不可能是来实施海战的，很可能是在所罗门群岛某处港湾建立水上飞机基地来弥补失去的图拉吉岛水上飞机基地。而美军最主要的情报来源——密码破译小组一方面由于日军刚开始使用新 的密码，需要一段时间来破译，另一方面三川舰队在航行中采取了严格的无线电静默，所以无法提供准确情报。特纳深知他的登陆编队是日军首要目标，而从拉包尔到瓜岛必经之路是所罗门群岛两串岛链之间的狭窄水道，也就是人们通常所说的“槽海”，他于8月8日曾特别加派一架侦察机沿槽海侦察，但因为天气不好，这架飞机未能按命令飞完全程就返航了，而且飞行员也没将报告这一情况。因此，特纳对即将到来的海战一无所知。

　　三川是智勇兼备的战将，为做到知己知彼，8日4时三川就命令5艘重巡洋舰各弹射起飞一架舰载侦察机，对瓜岛进行全面侦察，了解了美军舰队的兵力组成和所在位置，当他知道美军在瓜岛海域有多艘航母，掌握着制空权，而且兵力占优势，便决定以己之长攻其之短，实施夜战。十六时许又派两架侦察机进行侦察，以进一步查明情况。三川一进入瓜岛和图拉吉岛之间水域，（后来因为在这片水域，日美双方有好多军舰战沉，而被形象称为“铁底湾”）第三次派出两架侦察机核实美舰的夜间停泊位置，并在夜战时投掷照明弹。正是由于三川进行了反复的侦察，对美军的情况已经完全掌握，他决定从萨沃岛以南进入铁底湾，先消灭美军的巡洋舰，再消灭运输船，最后从萨沃岛以北撤出。随即通过旗舰“鸟海”号重巡洋舰的灯光信号将作战计划通知各舰。十八时，日舰将甲板上的所有易燃物扔进海中，对弹药进行最后检查整备。二十二时三十分，天色完全黑了，日军以“鸟海”号为首排成间距1200米的单纵列，在桅杆上升起白色识别旗，加速到28节，杀气腾腾闯入瓜岛海域！ 而与此同时美军担任海空掩护的航母编队司令弗莱彻，借口舰载机损失和油料不足，报告戈姆利请求撤走，黄昏时分未获批准就擅自率航母编队撤出瓜岛海域，二十时已远离了瓜岛。特纳只好紧急召集掩护编队司令克拉奇利和范德格里夫特开会，通报了这一情况，并宣布由于失去了空中掩护他的舰只将在第二天撤走，尽管登陆部队的补给物资卸载量还不到四分之一。范德格里夫特对此表示了强烈抗议，但特纳认为他别无选择，只能连夜尽可能多卸下一些物资。会议气氛十分紧张，开了数小时仍是不欢而散。

　　就在会议结束，克拉奇利乘汽艇赶回旗舰半路上，战斗打响了。美军在铁底湾部署是：分为三个巡逻区，以瓜岛和图拉吉岛之间的萨沃岛中心点125度延伸线划分南北两个巡逻区，佛罗里达岛西侧子午线以东为东巡逻区。南区由第一大队3艘巡洋舰、2艘驱逐舰负责警戒，北区由第二大队3艘巡洋舰、2艘驱逐舰负责警戒，东区由第三大队2艘巡洋舰、2艘驱逐舰负责警戒，另以2艘驱逐舰在萨沃岛以西巡逻，作为雷达警戒哨。克拉奇利去开会前只是指定“芝加哥”号巡洋舰舰长代理指挥南区巡逻，既没有具体指示，也没作战预案。

　　8月9日一时，日舰驶抵萨沃岛西北，日军了望兵夜战素质较高，先发现了两艘巡逻的美军驱逐舰，而装备新型雷达的美军驱逐舰却未能发现日舰，三川率舰队实施了巧妙的机动从这两艘美舰之间进入铁底湾，美舰还毫无察觉。三川考虑到自己编队长达8000余米，作战海域狭窄，又是夜间，编队作战多有不便，于是下令各舰按照作战计划自行战斗。一时三十三分，三川下达总攻击令。直到十分钟后，美军“帕特森”号驱逐舰才发现日舰，刚用无线电发出警报：“注意！不明身份军舰正在进港！”日军的水上飞机就投下了照明弹，将南区的美舰照得清清楚楚，日军的炮弹和鱼雷接踵而来，澳大利亚海军“堪培拉”号巡洋舰右舷连中两条鱼雷，又先后被24发炮弹击中，不到五分钟就失去了战斗力，天亮后被美军自己击沉。“芝加哥”号接到报警，舰长下令发射照明弹，但几发照明弹都没点着火，就在这时舰长发现有数条鱼雷射来，立即转舵规避，为时已晚，舰首被一条鱼雷击中，桅杆也被一发 203 毫米炮弹击中，“芝加哥”号连连开炮还击，由于日舰速度很快，只来得及向日军队列最后的“夕风”号驱逐舰发射了25发炮弹就失去了目标，便向西退出战斗。最先发现日舰的“帕特森”号驱逐舰与日舰展开炮战，舰长下令发射鱼雷，鱼雷长未听到命令而没执行，该舰被日军击中一弹，两门舰炮被毁。“巴格雷”号驱逐舰占领了发射阵位，舰长下令发射鱼雷，但鱼雷射击诸元还没装定，眼睁睁看着日舰离去，等到鱼雷发射，早已追不上远去的日舰了。

　　三川仅用六分钟就重创南区美舰，随即全速向北区杀去。由于“芝加哥”号未将作战情况通知北区和东区，加上电闪雷鸣掩盖了南区的炮声和火光，北区美军全然不知日军已经杀来。“文森斯”号巡洋舰的舰长利弗科上校比较警觉在一时四十五分时，感到舰身在微微震动，还看到南区有炮火闪光，但他误以为是友邻在射击敌机，根本没想到是在进行海战，反而下令做好对空战斗准备。日舰接近到8000米距离，先打开探照灯，随后就以所有炮火开始齐射，利弗科以为是南区美舰，用报话机要求对方关掉探照灯，停止射击，还命令升起军旗，以表明自己身份，——日军则还以更猛烈的炮火。利弗科这才明白过来，下令开炮还击，但不久舰载水上飞机被击中起火，成为明显的目标，日军关闭了探照灯集中炮火猛轰，“文森斯”号连连中弹，不得不左转撤离，这时日军的鱼雷又蜂拥而来，左舷连中三条鱼雷，机舱爆炸，舰身严重左倾而沉没。

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