Ki-44-II hei (2127) na lotnisku fabrycznym zakładów Nakajima w Ōta, wczesna jesień 1944 r. Ki-44 był pierwszym japońskim myśliwcem, w którym, kosztem zwrotności, położono nacisk na dużą prędkość maksymalną i wznoszenia oraz silne uzbrojenie.

Ki-44 Shōki był pierwszym japońskim myśliwcem, w którym już na etapie projektowania położono nacisk na dużą prędkość maksymalną i wznoszenia oraz silne uzbrojenie. Uzyskano to kosztem nienaruszalnej dotąd cechy japońskich myśliwców, jaką była zwrotność. Z tego powodu Ki-44 nie nadawał się do prowadzenia manewrowych walk powietrznych i nigdy nie zdobył takiej popularności w lotnictwie Japońskiej Armii Cesarskiej, jak lżejszy i bardziej zwrotny Ki-43 Hayabusa.

W pierwszej połowie 1938 r. Główne Biuro Lotnictwa Armii (Rikugun Kōkū Honbu) zaczęło opracowywać założenia kolejnego programu rozwoju uzbrojenia lotniczego (Kōkū Heiki Kenkyū Hōshin). W jego ramach powstała nowa generacja samolotów myśliwskich, bombowych i rozpoznawczych, które w ciągu kilku lat zastąpiły maszyny właśnie wchodzące do służby w lotnictwie Japońskiej Armii Cesarskiej (Dai Nippon Teikoku Rikugun). Postanowiono wówczas stworzyć dwie kategorie jednosilnikowych, jednomiejscowych myśliwców – lekki i ciężki. Nie chodziło o masę samolotów, lecz ich uzbrojenie. Lekki myśliwiec jednomiejscowy (kei tanza sentōki), uzbrojony w dwa kaemy kal. 7,7 mm, miał służyć do walki z wrogimi myśliwcami. W tym celu musiał charakteryzować się przede wszystkim znakomitą zwrotnością. Wysoka prędkość maksymalna i duży zasięg miały drugorzędne znaczenie. Ciężki myśliwiec jednomiejscowy (jū tanza sentōki) miał być natomiast uzbrojony w dwa kaemy kal. 7,7 mm oraz jedno lub dwa „działka”, czyli de facto karabiny maszynowe dużego kalibru1. Przeznaczony był do zwalczania bombowców, wobec czego powinien mieć dużą prędkość maksymalną i wznoszenia, nawet kosztem zwrotności i zasięgu.

Pierwszy prototyp Ki-44 (4401) podczas prób w Tachikawie, grudzień 1940 r. Widać wczesny typ osłony kabiny (z limuzyną wsuniętą pod tylną część osłony), dodatkowe otwory wentylacyjne z boku kadłuba, pierścieniową chłodnicę oleju we wlocie powietrza chłodzącego silnik i odchylone w bok dolne części pokryw kół podwozia.

Program został zaakceptowany przez Ministerstwo Armii (Rikugunshō) 1 lipca 1938 r. W ślad za tym w kolejnych miesiącach Kōkū Honbu sformułowało wymagania taktyczno-techniczne dla poszczególnych kategorii samolotów i przekazało je wybranym wytwórniom lotniczym. W wielu przypadkach zrezygnowano ze stosowanej wcześniej formuły konkursu prototypów, arbitralnie wybierając wykonawców poszczególnych typów samolotów. Opracowanie obu rodzajów myśliwców zlecono firmie Nakajima Hikōki Kabushiki Gaisha. Lekki myśliwiec dostał oznaczenie wojskowe Ki-432, a ciężki – Ki-44.

Początkowo Kōkū Honbu nie określiło żadnych szczegółowych oczekiwań co do osiągów czy innych parametrów Ki-44. Samolot traktowano bardziej jako eksperyment, mający na celu praktyczne sprawdzenie zaobserwowanych w Europie i Stanach Zjednoczonych trendów w rozwoju myśliwców. W owym czasie w lotnictwie Armii Cesarskiej wciąż dominowała bowiem opinia, że zwrotność samolotu myśliwskiego (determinowana m.in. niskim jednostkowym obciążeniem powierzchni nośnej) jest zdecydowanie ważniejsza niż silne uzbrojenie czy duża prędkość maksymalna. Pod takim kątem prowadzono szkolenie pilotów myśliwskich, widząc w indywidualnych umiejętnościach każdego z nich klucz do rozstrzygnięcia walki powietrznej, a tym samym do zdobycia panowania w powietrzu. Z tego powodu projekt Ki-44 nie miał wysokiego priorytetu, a wyznaczony do jego realizacji inżynier Yasushi Koyama w tym samym czasie brał udział w projektowaniu lekkiego myśliwca Ki-43 oraz kierował zespołem projektującym ciężki bombowiec Ki-49.

Przyspieszenie prac przy projekcie Ki-44 nastąpiło w połowie 1939 r. Impulsem była zarówno sytuacja na Dalekim Wschodzie, jak i doniesienia z Europy. Cesarska Kwatera Główna (Daihon’ei) z coraz większym zaniepokojeniem obserwowała rozbudowę sowieckich sił lotniczych w Azji, co mogło zagrozić japońskim planom ekspansji na tym kontynencie. Najbardziej jaskrawym tego przykładem była toczona wówczas wojna nad Chałchyn-goł. Lotnictwo Armii poniosło w niej duże straty, ale wciąż jeszcze było w stanie narzucić przeciwnikowi walkę na swoich warunkach. Obawiano się natomiast zagrożenia ze strony sowieckich bombowców, których bazy w rejonie Władywostoku leżały tylko kilka godzin lotu od Tokio. Z kolei w siłach powietrznych głównych europejskich potęg – zwłaszcza Niemiec i Wielkiej Brytanii – podstawowymi typami myśliwców stały się silnie uzbrojone samoloty o prędkości maksymalnej ponad 500 km/h (Messerschmitt Bf 109, Hawker Hurricane, Supermarine Spitfire). Także w Stanach Zjednoczonych trwały prace przy nowej generacji szybkich i silnie uzbrojonych myśliwców napędzanych silnikami o dużej mocy.
W tej sytuacji 2 czerwca 1939 r. Kōkū Honbu przekazało firmie Nakajima bardziej szczegółowe wymagania taktyczno-techniczne dla myśliwca Ki-44. Prędkość maksymalna miała wynosić ponad 600 km/h na wysokości 4000 m, czas wznoszenia na wysokość 5000 m poniżej 5 minut, a promień działania co najmniej 600 km, co oznaczało dwie godziny lotu z prędkością przelotową 400 km/h plus 30 minut rezerwy na prowadzenie walki powietrznej z maksymalną prędkością. W porównaniu z wymaganiami sformułowanymi niewiele wcześniej dla lekkiego myśliwca Ki-43, prędkość maksymalna Ki-44 miała być większa aż o 100 km/h, a promień działania o 300 km (przy takiej samej rezerwie paliwa). Bardzo silne jak na ówczesne standardy lotnictwa Armii miało być uzbrojenie, złożone z dwóch karabinów maszynowych kal. 7,7 mm i dwóch kal. 12,7 mm (zwiększenia liczby „działek” z jednego do dwóch zażądano już nieco wcześniej – w maju). Zarówno projektowany równolegle Ki-43, jak i podstawowy wówczas myśliwiec lotnictwa Armii Ki-27 uzbrojone były tylko w dwa kaemy kal. 7,7 mm. Według wstępnych planów pierwszy prototyp Ki-44 miał być gotowy do prób w ciągu półtora roku.

Realizacja projektu

Aby spełnić bardzo ambitne wymagania inż. Koyama postanowił skonstruować możliwie jak najmniejszy płatowiec napędzany najmocniejszym dostępnym wówczas silnikiem. Potężny silnik oraz skrzydła o niewielkiej rozpiętości i powierzchni nośnej miały zapewnić osiągnięcie dużej prędkości maksymalnej i wznoszenia. Z kolei ograniczenie gabarytów samolotu, a tym samym jego masy, miało pozwolić na utrzymanie jednostkowego obciążenia powierzchni nośnej na rozsądnym poziomie. Zdawano sobie oczywiście sprawę, że zwrotność maszyny ulegnie znacznemu pogorszeniu w porównaniu z Ki-27 czy Ki-43, ale była to cena za wyraźne zwiększenie osiągów. W projektowaniu Ki-44 uczestniczyli m.in. inżynierowie Shigenobu Mori i Masatarō Uchida oraz dr Hideo Itokawa, główny aerodynamik firmy Nakajima.

Ki-44 miał klasyczny układ aerodynamiczny i całkowicie metalową półskorupową konstrukcję. Przednia sekcja kadłuba była trwale łączona z centropłatem skrzydeł, dzięki czemu zamierzano zwiększyć wytrzymałość konstrukcji i zarazem zaoszczędzić na masie okuć i łączników. Miało to umożliwić osiągnięcie w nurkowaniu prędkości nawet 850 km/h. W celu poprawienia zwrotności w walce powietrznej zastosowano tzw. klapy bojowe (sentō lub kūsen furappu), opracowane w tym samym czasie przez dr. Itokawę. Podczas wychylania klapy były wysuwane poza obrys skrzydła, tworząc układ przypominający nieco rozłożone skrzydła motyla (stąd ich popularna nazwa klapy „motylowe” – chō-gata). Podczas walki powietrznej klapy mogły być wychylane o 15–20°, co pozwalało wykonywać ciaśniejsze zakręty bez utraty siły nośnej. Bardzo charakterystyczny kształt miało usterzenie – stateczniki poziome zamocowano do kadłuba wyraźnie przed statecznikiem pionowym.

Kabina pilota zakryta została całkowicie oszkloną, trzyczęściową osłoną, złożoną z nieruchomego wiatrochronu, odsuwanej do tyłu limuzyny i nieruchomej części tylnej. Co ciekawe, limuzyna podczas odsuwania chowała się pod tylną częścią osłony (podobnie jak w prototypach Ki-43). Pilot miał do dyspozycji standardowy w tamtym czasie celownik lunetowy Typ 89 (89-shiki), którego tuba przechodziła przez otwór w przedniej szybie wiatrochronu. W skład wyposażenia wchodziła radiostacja Typ 99 Wzór 3 Model 2 (99-shiki hi 3-gō 2-gata) i instalacja tlenowa. Nie przewidywano natomiast opancerzenia fotela pilota ani samouszczelniających zbiorników paliwa.

Do napędu zastosowano nowy, 14-cylindrowy silnik w układzie podwójnej gwiazdy Nakajima Ha-41 z jednostopniową jednobiegową sprężarką. Był on wersją rozwojową silnika Ha-5, stosowanego m.in. do napędu bombowców Ki-21-I. Różnił się m.in. konstrukcją głowic cylindrów, sprężarką i reduktorem oraz większą prędkością obrotową. Został zaprojektowany z myślą o wykorzystaniu w ciężkich bombowcach Ki-49. Miał dość duże gabaryty i masę (jego średnica była o 148 mm większa od średnicy silnika Ha-25, wybranego do napędu Ki-43, a masa o 100 kg większa) i z tego powodu niezbyt nadawał się do napędu myśliwców, ale był jedynym dostępnym wówczas silnikiem o tak dużej mocy. Ha-41 został oficjalnie zaakceptowany przez Kōkū Honbu do produkcji seryjnej w 1940 r. pod nazwą Typ 100 [o mocy] 1250 hp (100-shiki 1250-bariki3). We wprowadzonym w maju 1943 r. przez Ministerstwo Uzbrojenia (Gunjushō) systemie oznaczeń silników wspólnym dla lotnictwa Armii i Marynarki Wojennej Ha-41 dostał oznaczenie Ha-34-01.

W obawie przed przegrzewaniem się silnika, tuż za regulowanymi klapkami żaluzji umieszczono dodatkowe otwory wylotowe powietrza chłodzącego silnik, po cztery z każdej strony kadłuba. Silnik napędzał metalowe trójłopatowe śmigło samoprzestawialne o średnicy 2,95 m, z piastą osłoniętą spiczasto zakończonym kołpakiem. Śmigło zostało skonstruowane w zakładach Sumitomo i bazowało na technologii amerykańskiej firmy Hamilton Standard. Miało hydrauliczny mechanizm zmiany kąta nastawienia łopat. Łączny zapas paliwa w trzech zbiornikach (jednym w kadłubie i dwóch w centropłacie, pomiędzy dźwigarami) wynosił 564 l. Pierścieniową chłodnicę oleju umieszczono we wlocie powietrza chłodzącego silnik (tak jak w Ki-27 i Ki-43).

Uzbrojenie składało się z dwóch zsynchronizowanych karabinów maszynowych Typ 89 (89-shiki4) kal. 7,7 mm, umieszczonych w górnej części kadłuba przed kabiną pilota i strzelających przez krąg śmigła (z wylotami luf w osłonie silnika) oraz dwóch karabinów maszynowych Ho-1035 kal. 12,7 mm, umieszczonych w skrzydłach poza okręgiem śmigła (z lufami wystającymi z krawędzi natarcia skrzydeł). Zapas amunicji do kaemów Typ 89 wynosił po 500 nabojów, a do kaemów Ho-103 po 250 nabojów. Osie luf kaemów odchylone były o 1° w górę od osi podłużnej kadłuba.

W ten sposób konstruktorom udało się stworzyć całkiem zgrabny samolot o wymiarach porównywalnych z Ki-27 i Ki-43, a przy tym napędzany potężnym silnikiem. Krótkie i szerokie u nasady skrzydła nadawały nowemu myśliwcowi charakterystyczny wygląd. Mimo wielkiej średnicy silnika samolot nie sprawiał wrażenia pękatego, gdyż zaraz za silnikiem kadłub zaczynał się równomiernie zwężać, przyjmując w przekroju kształt coraz mniejszego owalu zbliżonego do elipsy. Ponieważ dłuższa oś owej elipsy była ustawiona pionowo, więc Ki-44 charakteryzował się dość dużą powierzchnią boczną kadłuba, co wraz z dużym wzniosem skrzydeł zapewniało mu doskonałą stateczność boczną i podłużną.

Na etapie projektu szacowano, że masa startowa Ki-44 wyniesie 2200 kg, co przy powierzchni nośnej skrzydeł 15,00 m2 dawało jednostkowe obciążenie powierzchni nośnej 147 kg/m2.. Jak na dotychczasową praktykę budowy myśliwców w Japonii była to niezwykle duża wartość. Dla porównania: w Ki-27 otsu jednostkowe obciążenie powierzchni nośnej wynosiło tylko 83 kg/m2, w prototypach Ki-43 około 90–100 kg/m2.