当主力群司令南云得知美军舰载机前去攻击牵制群，认为时机已到，于十四时许派出第一攻击波，计攻击机27架，战斗机10架。十五时又出动第二攻击波，计攻击机27架，战斗机9架，直扑美军航母编队。

　　与此同时，日军先后有两架侦察机飞临美军航母编队，虽被美军击落，弗莱彻认为日机在被击落前一定已经发出了报告，自己的位置肯定已经暴露，下令做好防空战斗准备，增 加了在空中巡逻和甲板待命的战斗机数量，并将队形变为防空队形，为分散日军的攻击力量，两个大队拉开了十余海里的距离，考虑到“企业”号距敌较近，弗莱彻命令“企业”号负责统一指挥两艘航母的战斗机。几分钟后，“企业”号雷达发现88海里外有一批日机飞来，弗莱彻立即命令两艘航母上的13架轰炸机和12架鱼雷机全部起飞，前去攻击日军航母；甲板待命的战斗机也全部升空，这样空中警戒的战斗机已增加到53架。

　　十六时二十五分，空中警戒的战斗机报告发现日机。“企业”号的战斗机引导员本来计划在日机展开前进行拦截，但由于空中飞机数量很多，航母与飞机，飞机与飞机之间通讯频繁，导致通讯阻塞，引导截击的命令无法及时发出。

　　十六时二十九分，日军机群到达距“企业”号30海里处，分为几队展开，这就使美舰雷达显示屏上图象混杂，战斗机引导员分不清敌我，无法指挥拦截。美军战斗机充分发挥主动精神，在距“企业”号25海里处上前拦截，双方发生了激烈空战，日机被击落6架。

　　十六时四十分，日机开始对“企业”号实施俯冲轰炸，当时第16大队已排成防空环形队形，“企业”号位于中央，周围有9艘军舰环护，以猛烈高射炮火进行拦阻射击，“企业”号还不时以大舵角急转弯规避攻击。由于日军飞行员的素质比中途岛战役时下降很多，加上美军炮火猛烈，日军鱼雷机在占领攻击阵位前就被全部击落，轰炸机也只有少数几架突破投弹，“企业”号被命中3枚250公斤炸弹，炸毁升降机两座，引发大火，炸死72人，船舷漏水，舰体横倾，所幸伤势不重。日机离去后，“企业”号进行了紧急抢修，仅用一小时就扑灭了大火，恢复平衡，航速达到24节，能够接受飞机着舰。

　　日军主力群的第二攻击波一直飞到距“萨拉托加”号50海里处也没有发现美舰，因燃油消耗过半，只得返回。

　　在日机来袭前起飞的“企业”号的11架轰炸机和7架鱼雷机也没有找到日军主力群，轰炸机飞往瓜岛机场着陆，鱼雷机则返回了航母。而同时起飞的“萨拉托加”号的2架轰炸机和5架鱼雷机却意外发现了日军的先遣群，随即发动攻击，击伤了“千岁”号水上飞机母舰。这批美机除了2架鱼雷机在圣克里斯托巴尔岛迫降，其余飞机都安全返回了母舰。

　　弗莱彻接收了出击的飞机后，天色已黑，为避免夜战，率领舰队向南撤退。

　　日军先遣群遭到攻击后，高速向南追击，还派出水上飞机前去搜索，只发现1艘正在援救落水飞行员的美军驱逐舰，再没其他发现。当晚二十四时，山本下令撤出战斗，先遣群、主力群即以28节北撤。

　　日军只顾寻找美军航母决战，却忘了保护增援群，增援群23日被美军发现后，果断向西北退避，这才避免遭到攻击，在圣伊萨贝尔岛附近逗留了一整天，于24日十二时再掉头南下，计划于25日将增援部队送上瓜岛。

　　8月24日九时三十五分，增援群到达马莱塔岛以北海域又被美机发现，瓜岛的“仙人掌”航空队立即起飞8架“无畏”俯冲轰炸机进行攻击，日军增援群中主要的运输船“金龙丸”号被击沉，旗舰“神通”号巡洋舰和另1艘驱逐舰被炸伤。不久，从圣埃斯皮里图岛起飞的B—17轰炸机也赶来助战，将“睦月”号驱逐舰击沉。鉴于缺乏空中掩护，加上所运送的部队已经损失大半，拉包尔的日军指挥部只好令其返航。晚上，日军对岸射击群对瓜岛进行了炮击，也没有什么显著效果。所罗门群岛以东海战至此结束。

　　此次海战，日美双方出动的主要兵力对比为：航母3：2，水上飞机母舰1：1，战列舰3：1，巡洋舰16：4，驱逐舰30：11，日军几乎比美军多一半，然而日军被击沉航母、巡洋舰、驱逐舰各一艘，被击伤水上飞机母舰、驱逐舰各一艘，损失飞机90架。美军仅一艘航母被击伤，损失飞机17架。不仅歼灭美军航母编队的企图没有实现，而且向瓜岛增援的目的也没完成。可以说日军在这次海战中是彻底失利。究其原因，是日军没将向瓜岛运送援军作为当务之急，没有全力保障增援群的安全。而是只顾攻击美军的航母编队，忽视了对增援群的保护，因此当主力群撤退后，增援群就失去了空中掩护，陷入被动挨打的局面，这是日军作战目的主次不分的重大失误。

　　埃斯佩兰斯角海战

　　日军从9月下旬到10月中旬，多次组织“东京特快”共向瓜岛送上约一万人的部队，但驱逐舰运载人数有限，而且不能运送坦克、重炮等重装备，如果没有重装备，是不可能取得胜利的。根据陆海军达成的协议，日军组织了一支大规模运输队，由“日进”号、“千岁”号水上飞机母舰运载榴弹炮4门、野炮2门、高炮1门、牵引车4辆、弹药车14辆、固定式电台1套、官兵280人，另由4艘驱逐舰运载大批人员和给养，以2艘驱逐舰护航，于10月11日六时从肖特兰岛起航。为保障航渡中的安全，还出动了第6巡洋舰战队3艘巡洋舰和2艘驱逐舰进行海上掩护。

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