El Kawasaki Ki-102 entró en servicio en 1944, pero tuvo un uso limitado. El modelo principal (102b) se mantuvo en reserva para defender Japón, aunque tuvo algunas funciones limitadas en la campaña de Okinawa. Se mantuvo fuera del servicio de primera línea porque se esperaba que fuera el portador del misil guiado aire-tierra Igo-1-B cuando se produjera la invasión aliada de Japón.
A finales de 1942, se interrumpió el trabajo sobre el Ki-45-II mejorado y, sobre esta base, se tomó la decisión de desarrollar el caza pesado monoplaza bimotor Ki-96. En septiembre de 1943, sus pruebas arrojaron datos de vuelo satisfactorios, pero el mando del ejército volvió a cambiar de opinión y se decidió desarrollar un avión de ataque biplaza en la base Ki-96. En agosto de 1943, el proyecto recibió la designación Ki-102.
El nuevo avión recibió blindaje adicional y un potente armamento. La planta motriz constaba de dos potentes motores Mitsubishi Ha-112-II de 1500 CV. El primer vuelo tuvo lugar en marzo de 1944 y en octubre de 1944 el avión se puso en producción con la designación "Avión de ataque del ejército tipo 4 (Ki-102b)".
Estructuralmente, el caza de ataque Ki-102 era un monoplano totalmente metálico. El ala estaba formada por dos largueros. En las consolas exteriores, entre los largueros, se encontraban dos depósitos de combustible sellados de 170 litros cada uno. En la sección central, también entre los largueros, se colocaron otros dos de 285 litros cada uno. En el borde de ataque de la sección central se encontraba un tanque con una capacidad de 80 litros. El depósito principal de 720 litros estaba, en el fuselaje, entre las cabinas del piloto y del artillero. A ambos lados del tanque, se colocaron dos placas de blindaje de 12 mm de espesor en los largueros, que al mismo tiempo eran tabiques cortafuegos.
Los flaps estaban ubicados a lo largo del borde de salida del ala, que también servían de frenos de aire durante un picado. Mediante un accionamiento hidráulico las trampillas se podían desviar en un ángulo de hasta 50°. Podía picar en un ángulo de hasta 60º a una velocidad segura de hasta 720 km/h.
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