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9月17日12时50分，双方接近到了5300米，“定远”右主炮开炮，292千克的钢铁弹头以500米/秒的初速，高速旋转着飞出炮膛，扑向远方的日本第一游击队。伴随着这声怒吼，这场对19世纪后期世界海军技术发展有着转折点意义的大海战正式打响，史称“大东沟海战”。
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大海战（7）
然而仅这一炮的后坐力就使得脆弱失修的舰桥被震塌，提督丁汝昌跌落受伤，由于他在战前没有明确自己的代理人，北洋舰队从一开始就失去了统一的指挥。
当时的海战并没有直到一战时才出现的全舰统一射击指挥仪技术，火炮一般采用自由射击、三发试射修正定位的办法。日本舰队根据自身中口径速射炮数量多、射程短、威力较低的情况，战前即规定不接近到3000米距离以内不能开炮，因此，日本舰队第一游击队此时依旧保持沉默，但已加大速度，争取尽快通过中国舰队的单方炮火威胁区，转进至北洋海军右翼。但本队由于“赤城”航速仅有节，故只能保持原速，两个编队之间出现了一个缺口。
中国舰队的炮火随即全线落向日舰本队，5分钟后，“松岛”主炮塔首先被“定远”150mm副炮命中，2人负伤，随即炮火连续命中该舰，该舰当即起火。在北洋舰队猛烈的炮火打击下，“松岛”上同样缺乏经验的日本水兵终于无法忍受这种压迫感，12时53分，双方相距3500米，“松岛”开炮反击。55分，“严岛”开炮，同时，“吉野”开炮攻击“超勇”、“扬威”，58分，“桥立”开炮。
此时的阵型对于中国舰队来说是比较有利的，舰队成楔形插入到日本舰队本队和第一游击队中间并将其彻底切断，已经完成了“乱战”战术的第一要素，舰队开始集中攻击日舰本队。“严岛”首先遭受严重打击，先是右舷被210毫米炮弹命中，11人伤亡，尔后，又被一弹穿入右舷气罐室，6人伤亡。1时10分，“桥立”主炮塔被命中，10人伤亡。“比睿”因经验不足，在猛烈炮火中与本队拉开了距离，成为孤舰，情急之下试图穿越北洋舰队阵列回归本队，遭到中国舰队集中射击，一时间，不计其数的炮弹命中其舰，又遭“定远”一发305毫米巨弹命中舷侧，全舰伤亡高达50余人，舰体烈火熊熊。邱宝仁指挥的“来远”更是集结了大批手持毛瑟枪和长刀的陆战队员、水兵，准备靠帮夺船。“比睿”主炮几乎全毁，但舰上小口径速射炮发挥了重大作用，5分钟内发炮1500余发，“来远”终未能靠上去，“比睿”侥幸逃出火网生还，是这场海战中撤离战场的第一艘军舰。战斗中“来远”曾向“比睿”发射鱼雷，但因当时鱼雷射程较短，且受“比睿”尾流的干扰，未能命中——这是中国海军史上第一次应用鱼雷的战例。
然而与此同时，中国舰队也出现了最为致命的失误，战前制定的战术原则中，切断敌舰队阵列这一任务完成之后的最重要、也是最关键的一步——开队分击，即各2舰编队分散行动，形成乱战——由于旗舰“定远”在一开战就被击断了信号桅杆，无法实施临阵指挥而没有实施。日本第一游击队趁乱冲入北洋舰队右翼，猛攻舰队最薄弱的右翼2舰“超勇”、“扬威”。2舰均为木壳船，生存能力相当有限，面对当时4艘世界上最先进的穿甲巡洋舰围攻，2舰表现出了极大的勇气，先是命中“吉野”后甲板，引爆了堆积的炮弹和火药，给其造成严重伤害，尔后又连续命中“秋津洲”，并将“高千穗”水线下击穿，引起大量进水。但2舰的木壳在日本第一游击队的猛烈攻击下根本无法抵挡，“超勇”先被重创，舰体逐渐右倾，然直至其在1时30分左右战沉，仍在开炮不已。管带黄建勋落水之后，有人施救而不应，与舰同沉。
“扬威”也遭重创，火势极大，因其为木质舰，无法扑灭，被迫向北面大鹿岛方向撤离，并搁浅在近岸海边，水兵纷纷跳水逃生。管带林履中见事不可为，蹈海成仁。
此时的左翼，日本另一艘军舰，仅622吨的“赤城”再次陷入中国舰队的密集炮火中。“来远”、“致远”、“经远”3舰围攻“赤城”，猛烈的炮火连续命中，“赤城”弹药库爆炸、蒸汽管路被破坏，舰长板垣八郎太少佐毙命，代理舰长佐藤铁太郎大尉重伤。然“赤城”表现堪称顽强，牵制3舰近1小时，并以唯一能使用的120mm后主炮命中“来远”舰桥甲板和后甲板，并引爆后甲板堆积的炮弹，引起灾难性的大火，在自身撤离的同时迫使“来远”也被迫撤离。
乘“西京丸”观战的军令部长桦山资纪看到“比睿”先挂出“本舰火灾，退出战列”的信号，又见“赤城”遭到围攻，立即召唤第一游击队全速返转回援。然就在此时，因“赤城”逃脱而愤怒不已的中国舰队随即将火力全面转向了“西京丸”，4枚305mm弹、1枚210mm弹、4枚150mm弹、4枚120mm弹先后命中该舰的两舷、上甲板、轮机房等各处，“西京丸”全舰大火熊熊，操舵全毁，仅能用手工扳舵，其间前来助战的鱼雷艇“福龙”向其发射3枚鱼雷，但因训练不足，竟未命中，“西京丸”侥幸逃脱，单独逃回日军锚地。
大海战（8）
至14时40分左右，由于“平远”、“广丙”2舰和数艘鱼雷艇从大东湾内返回助战，中国舰队虽然损失了“超”、“扬”2艘旧式巡洋舰，但主战舰船数目仍为10艘，而日本舰队已有3舰被重创并退出战场，但第一游击队已经根据命令迅速赶回应援，与本队残余5舰组成两个单纵队，利用速度优势还击北洋舰队。而此时中国舰队仍集中火力打击日舰本队。14时34分，“平远”命中“松岛”左舷鱼雷发射管、油槽，但因日舰为防鱼雷诱爆，战前已将鱼雷全部投入海中，因而逃过一劫。15时10分，“平远”再中“松岛”，日舰也猛烈反击，“平远”、“广丙”先后起火。
“定远”舰首被击穿，前部军舰内大量木质构件燃烧，浓烟和弹药的缺乏令所有面向舰首方向的火炮都无法射击。感受到铁甲舰巨大威力的日本第一游击队趁此良机，立即集中全部火力围攻号称“亚洲第一巨舰”的“定远”，“定远”情形万分危急。
之后发生的事件是中国海军，乃至所有中国人都永志难忘的。左翼的“致远”全速突前，竟用没有任何舷侧装甲的舰体挡在旗舰身前，为旗舰争取自救的时间，“阵云缭乱中，气象猛鸷，独冠全军。”在之前的战斗中，“致远”已经负伤，主炮弹药也已经用光，此时更被不断命中，水下多处进水，而因数年不能向外购买军用物资，各水密隔舱早已老化过期的橡皮防水无法更换，此时显露出了最为严重的恶果——海水透过橡皮的裂纹汹涌灌入，军舰出现了严重的侧倾。管带邓世昌知道军舰已到最后关头，对大副陈金揆说：“倭舰专恃‘吉野’，苟沉是船，则我军可以集事。”登上飞桥，向全舰官兵疾呼：
我辈从军卫国，早置生死于度外。今日之事，有死而已。然虽死，而海军声威弗替，是即所以报国也！
随即指挥重伤倾侧、燃烧着大火的战舰直冲“吉野”，“鼓轮怒驶，且沿途鸣炮，不绝于耳，直冲日队而来。”在在场的中日所有战舰上官兵的惊骇中，发起了中国海军历史上最壮烈的一段征程。
日本第一游击队一时惊慌失措，并将全部火力转向“致远”。近百门各式火炮疯狂射击。随着与日本舰队的间隔越来越近，“致远”中弹也越来越多，“舰体之倾斜益甚”。在一声巨响后，“致远”发生猛烈爆炸，火光映红了海面。舰首首先下沉，撞到了20米深的海底沙滩上，舰尾高高竖立空中，螺旋桨仍旧在不停地旋转……不过10分钟，邓世昌携爱犬“太阳”蹈海同沉！
邓世昌，字正卿，广东番禺人，道光二十九年八月十八日生人，这一天正是光绪二十年八月十八日，也就是他45岁的生日。与他同时牺牲的，还有包括管轮洋员余锡尔等人在内的244名官兵，仅有7人幸存。
随着“致远”的战沉，原本躲在铁甲舰“定远”背后的“济远”管带方伯谦极其畏惧，立即转舵逃往旅顺，伴随的“广甲”见状随之仿效。“经远”、“来远”、“靖远”3舰此时也已经火势熊熊，也暂时撤出战场。而“定远”则抓紧时间扑灭了大火，与“镇远”协同发起了复仇的猛烈反击。15时30分，2发205mm巨弹命中“松岛”4号炮位，引起甲板上的火药、炮弹大爆炸，其海军大尉志摩清宜以下28人当即阵亡，68人负伤，军舰上白烟蒸腾，一片火海。大爆炸使得大部火炮被毁、轮机操纵装置受创，彻底失去作战能力。至16时，“松岛”升不管旗，令各舰自由行动，伊东亨率幕僚移舰“桥立”。
然而此时，随着日本第一游击队的参战和“致远”的战沉，北洋海军已经显现出劣势，16时16分，第一游击队随即追击“靖远”、“经远”、“来远”至大鹿岛。鉴于“靖远”、“来远”伤势较重，“经远”乃先独立迎击敌4舰围攻。日舰速射炮火密集，“经远”上弹落如雨，此时的“经远”司令塔采用了顶盖与塔壁留出整体空隙的整通式观察窗的问题终于暴露出来，管带林永升在指挥作战中被弹片命中头部，当即阵亡，随即接替指挥的帮带大副陈荣、二副陈京莹也先后殉国。“经远”吨位小，舷侧装甲防护面积小，舰体多处被击穿，而日本第一游击队的攻击越发猛烈，“炮弹全部命中，电光四迸，火焰冲天。”火势已经不可控制，燃烧至弹药库引发大爆炸，17时30分左右，“经远”左倾沉没。日军记载：“敌军终未升起降�