С 1938 г. в производстве находилась модификация А5М4. Она была очень близка к А5М2-Оцу, но отличалась новым козырьком пилотской кабины, еще более развитым гаргротом и наличием радиостанции. На ней стоял мотор «Котобуки» 41 максимальной мощностью 785 л. с. За счет введения новых подкрыльных подвесных баков дальность полета возросла до 648 км.
Параллельно с А5М4 («палубный истребитель тип 96 модель 24») выпускался его учебный двухместный вариант А5М4-К. Кабина инструктора располагалась за основной, в которой сидел обучаемый, и тоже была открытой. Завод «Накадзима» в Нагое прекратил производство А5М в 1940 г., построив 782 истребителя. На заводе авиаарсенала флота в Омуре собрали 161 боевой самолет (их сняли с производства в начале 1941 г.) и 103 учебных А5М4-К (эти выпускались до 1943 г.). На предприятии фирмы «Ватанабэ теккосе» в 1939-41 годах изготовили 39 А5М4.
Испытания А5М2Ь в НИИ В8С. Май 1939 г. фото из журнала «Самолеты мира»
Мицубиси А5М4 с подвесным баком. 14-й ао, Китай, 1940 г.
Учебный двухместный А54М-К из летной школы Оита
Мицубиси А5М2а из 13: го авиаотряда в период операций в Китае
В 1940 г. на вооружение приняли новый палубный истребитель А6М («тип 0», более известный как «Зеро»), намного превосходящий своего предшественника по скорости, дальности полета и весу секундного залпа. Внедрение их в строевые части тоже начали с Китая. В сентябре 12-й авиаотряд получил 27 новеньких А6М1. Но старые машины еще довольно долго находились в строю. В конце года японцы приобрели базы в Индокитае. Туда перебросили значительные силы авиации, в том числе 14-й авиаотряд с А5М4. Оттуда японские самолеты начали совершать налеты на Кунмин на юге Китая.
К середине 1941 г: на «Зеро» полностью перевооружили 12-й и частично 14-й авиаотряды, а также подразделения на всех крупных авианосцах новой постройки. Старые А5М постепенно начали передавать в подразделения ПВО береговых баз и учебные части.
К началу боевых действий на Тихом океане в декабре 1941 г. в строю имелось 193 А5М, из них 144 в частях второй линии. Ими располагали подразделения, обеспечивавшие прикрытие с воздуха военно-морских баз в Сасэбо, Омуре, Оминато и Такао, особая авиагруппа флота, предназначенная для участия во вторжении в Малайю и эскадрильи, размещавшиеся на легких авианосцах «Хосе» (11 А5М), «Рюйхо» (22), «Дзуйхо» (16). «Сехо» в это время никаких самолетов не нес. Американская разведка присвоила А5М4 кодовое имя «Клод».
Истребители с «Рюйхо», входившего в 4-ю дивизию авианосцев контр-адмирала Какудзи, поддерживали высадку одного из десантов на Филиппинах – в районе Давао на острове Минданао, куда не могли «дотянуться» А6М, дислоцированные на Тайване. Затем этот авианосец принял участие в боевых операциях в Голландской Ост-Индии (ныне Индонезии). В феврале-марте 1942 г. «Рюйхо» действовал на коммуникациях англо-американцев в Бенгальском заливе.
Мицубиси А5М2а из 13-го авиаотряда в период операций в Китае
Смена поколений. На смену А5М приходят А6М, Филиппины
Мицубиси А5М2Ь с полностью закрытой кабиной (фонарь показан в открытом положении) из авиаотряда Хякурихара
А5М4 из 12-го авиаотряда
Еще один А5М4 из авиаотряда Хякурихара
В начале войны Япония захватила огромную территорию. Созданные на ней базы необходимо было обеспечить прикрытием с воздуха. Но современной техники не хватало, и поспешно сформированные подразделения ПВО стали комплектовать старьем. А5М получили новые подразделения в составе 4-го авиаотряда в Рабауле (на острове Новая Британия), 1-го и 6-го на Маршалловых островах (их разместили на Луоти, Талоа и Палау). А5М довольно активно использовались на фронте до апреля 1942 г., после чего практически полностью были вытеснены «Зеро». Но отдельные машины сохранялись в ПВО и позже, например, на острове Буин они применялись и в сентябре 1943 г.
Подразделения, размещавшиеся на базах в Японии, считались тыловыми и использовались в основном для учебных целей. Патрулирование воздушного пространства они вели больше для проформы. Когда в апреле 1942 г. бомбардировщики из группы Дулиттла выходили на свои цели в районе Токио, в воздухе находились три А5М4 из авиаотряда Касумигаура. Американские самолеты они даже не заметили.
А5М участвовали в знаменитом сражении в Коралловом море. 7 мая 1942 г. два А5М и четыре А6М поднялись с палубы «Сехо», чтобы защитить его от ударов пикировщиков и торпедоносцев американского авианосного соединения. Им удалось сбить три машины противника, но это не спасло «Сехо», который затонул, пораженный семью торпедами и тринадцатью бомбами. На это ушло всего 20 минут. После боя садиться истребителям было уже некуда – под ними простирались лишь волны. Один А5М4 дотянул до ближайшего островка, второму пришлось садиться в открытом море.
Но это был не последний авианосец, несший истребители этого типа. На 14 июня 1942 г. на вспомогательном авианосце «Касуга-мару», перестроенном лайнере, числились 11 А6М и 14 А5М. Но никаких данных об их боевом применении нет.
После этого А5М недолго задержались в подразделениях ПВО в Японии, а затем полностью «перекочевали» в учебные части и летные школы флота. В конце 1944 г. там еще находилось довольно значительное количество А5М4 и А5М4-К. С приближением линии фронта к берегам метрополии этими уже сильно изношенными машинами начали комплектовать отряды камикадзе. Бомба подвешивалась под фюзеляж. Такие самолеты использовались для атак на американские корабли у побережья Японии в первой половине 1945 г.