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L’armée de l’air japonaise émit une spécification en février 1941 concernant un bombardier lourd tactique en vue de remplacer le Ki-49, et Mitsubishi ne tarda pas à proposer un appareil qui sera le meilleur avion de sa catégorie produit par le Japon pendant la guerre. Le premier des 19 prototypes Ki-67 effectua son premier vol en décembre 1942. Mais la production fut retardée par les caprices de l’état-major japonais qui souhaitait disposer d’un grand nombre de versions. Ce dernier se ravisa tardivement en décembre 1943 en faveur d’une seule version bombardier lourd et torpilleur. Il fut mis en service sous la désignation Ki-67 modèle 1 Hiryu (dragon volant), en octobre 1944. Il fut baptisé «Peggy» dans la nomenclature alliée.
Cet appareil avait un bon niveau de performance et de manœuvrabilité, mais qui souffrait des défauts de manque de protection de l’équipage et des réservoirs, et de fragilité de structure supportant mal les avaries au combat propres aux appareils japonais. Il se révéla un avion très rapide et très maniable qui dépassait les attentes placées en lui. Les ingénieurs surent en tirer le maximum lui donnant même la capacité du bombardement en piqué. Il surpassait certains chasseurs en matière de vitesse et de maniabilité, au point qu’on en tira une version chasseur d’attaque, le Ki-109.
Le Ki-67 ne fut utilisé au combat que pendant les onze derniers mois de la guerre. Il fut employé pour des missions aussi diverses que le remorquage de planeurs, la chasse lourde, l’interception, la reconnaissance, les attaques suicides et le torpillage. Il fut le meilleur bombardier lourd de l’armée de terre japonaise. Il servit majoritairement pour des missions de torpillage contre l’armada américaine avançant vers le Japon. Les Américains le combattirent pour la première fois lors de l’attaque de la troisième flotte américaine à Formose en octobre 1944. Il effectua également plusieurs attaques contre les bases américaines de B-29 Superfortress dans les Mariannes. Il sera des batailles d’Okinawa, Iwo Jima, des Mariannes et Saïpan.
Un certain nombre furent converti en appareils kamikazes triplaces Ki-67-1 dépourvus de tourelles défensives et emportant deux bombes de 800 kg ou et en remplaçant le nez de l’appareil par un nez solide remplis de 2900 kg d’explosifs. Il servit aussi pour le transport des «missiles pilotés» Sakura ou Baka. Il y eut également une version programmée du Ki-67-II avec deux moteurs de 2400 chevaux. La seule version produite ultérieurement fut le chasseur lourd d’attaque au sol Ki-109 armé d’un canon de 75 mm dans le nez, dont 22 exemplaires seulement furent produits avant la fin des hostilités. Malgré des moteurs turbo-compressés, il n’aurait pas été capable d’opérer à l’altitude des B-29, ses proies désignées.
La production s’acheva lorsque les hostilités prirent fin et 698 appareils seulement furent construits, dont 159 en version anti-navire pouvant emporter une torpille lourde sous le fuselage.
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