夜幕降临之前，奄美岛东面的中国分舰队终于赶了过来，使得中国舰队在数量上的劣势得到弥补。于是，战斗愈加激烈。中日双方都派出飞机参战，不过中舰一早就有防空火炮，日军飞机在性能上本来就不如中国飞机，所以收效甚微。而经过1915年的教训，日军的军舰上也加载了大量防空火炮，中国飞行员只能拉高高度来攻击日舰，加之此前袭击那霸时消耗了大量飞机燃油，因此收获也不大。倒是中国有明显优势的潜水艇部队，在大迂回之后，绕道日军主力舰后方，袭击了日军的补给船，造成大量的日军油料和弹药损失。

中华号战列舰仗着船坚炮利，在日军舰队中来回冲杀，一连击沉击伤七艘日舰，而中华号自己的舰身也是伤痕累累。中华号继续猛打硬拼，再次向日舰开火，这一次它的炮口指向的是，而是日军“扶桑”号战列舰。

扶桑号战列舰属于日本扶桑型战列舰1号舰。由日本独自设计的第一只超无畏舰（超弩级战列舰）。舰名由来是日本其中一个古异名，该舰名曾被二艘战列舰使用。另外一艘同叫扶桑的是一艘于1879年竣工的中央炮房（或称船腰炮室）的装甲舰。该舰排水量30,600吨，主炮为四一式35.6厘米连装炮6座，副炮为四一式15.2厘米单装炮16门，装备53厘米鱼雷水中发射管6门，防护标准水线305毫米、甲板64毫米、主炮天盖152毫米。

中华号的第一轮齐射就击中了“扶桑”号的后甲板。“扶桑”号上立时腾起一道霹雳般的火焰，红色的爆炸闪光划破了黑暗，连高挂在天空中的明月都为之失色。中华号上的水兵们来不及欢呼，就再次开始了齐射，中华号附近的北京号也跟着开炮，一起炮击扶桑号。

扶桑号也不甘示弱，立刻开炮还击，同时向中华号发射鱼雷。此时，在扶桑号身边的同级战列舰山城号也跟着开火，只不过它的目标是中华号身边比较老旧的北京号。这两座日本海军造舰史上史无前例的“多炮塔神殿”开始了凶猛的齐射，夜空中到处都飞翔着无数的亮点。

中华号有着良好的装甲，水线307毫米，内倾19度，炮塔正面457毫米，侧面229毫米，顶部184毫米，炮座439毫米；司令塔406毫米；装甲甲板121-147毫米。与防护标准水线305毫米、甲板64毫米、主炮天盖152毫米的扶桑号比起来，那就是穿着铁甲的重步兵和穿着布衣的轻步兵之间的较量。而且406毫米的主炮也比扶桑号356毫米的主炮打了不至一圈，双方近距离交手，中华号打扶桑号是拳拳到肉，每一下都伤筋动骨，而扶桑号打中华号，基本都属于皮外伤。。“扶桑”号是日本人片面追求火力忽视防护的产物，而这样设计所造成的严重后果，在这次海战中暴露无遗。

很快，中华号号的主炮再次获得射控数据，这一次的数据异常准确。此时正好是在临近午夜时分，中华号向扶桑号射出新一轮九发齐射，这一轮齐射正好击中了扶桑号的中央部位，立时引发了一场巨大的爆炸。六座356毫米双联装主炮塔有一座已经被爆炸产生的冲击波掀掉了，水线部被打穿了多个洞，船舵也被卡住了，舰面燃起了大火，部分进水导致舰体开始向左舷倾侧，并不停地冒出浓烟。

附近的山城号眼看扶桑号遭到重创，却拿中华号无可奈何，只能拼命猛打面前的北京号。可怜北京号尽管战斗的十分英勇，奈何无论吨位还是火力都不是山城号的对手，很快就被打得失去了动力，成了活靶子。随后，又有六艘中舰遭到不同程度的损伤。八大远中的靖远号、济远号、平远号在日舰围攻下被击沉。

到11日凌晨，补充了油料的中国海军航空兵飞机终于重振雄风。三十架战斗机和轰炸机组成的鱼雷攻击飞机群开始向日舰发起猛攻。飞行员们压低飞行高度，冒着猛烈的日舰炮火向日军的大型战列舰发起英勇的冲击。长门号、陆奥号、伊势号、日向号、筑摩号、金刚号、比睿号、雾岛号、扶桑号、河内号、摄津号、敷岛号等日舰都遭到重创。

同时，中国的潜艇也开始从后方袭击日军的后队，一连击沉了就搜日军巡洋舰和驱逐舰，并开始向日军的航母凤翔号发射鱼雷，但是都没有命中。

10月11日，中午12时，栃内曾次郎感觉败局已定，为了给大日本帝国海军留下东山再起的种子，栃内曾次郎大将下令舰队向九州方向撤退。

感觉被暗算的程璧光恼怒不已，下令舰队穷追猛打，一直追到吐噶喇海峡附近。结果日本舰队只有三分之一的舰船回到了吴港和佐世保，长门号、陆奥号、伊势号、日向号、筑摩号、金刚号、比睿号、雾岛号、扶桑号、河内号、摄津号、敷岛号等大批主力舰被击沉或者被俘。

中国方面损失也不小，永丰号、永健号、虎鹰号、新颖号、新巩号、永绩号、靖远号、济远号、平远号、天津号、上海号、重庆号被击沉，另有二十多艘补给舰，鱼雷艇等小型舰船以及十三架战斗机、轰炸机的损失。

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