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下午6时15分，海战再次展开，“长门”和“陆奥”只能用剩下的六门后主炮进行还击，而共和海军六艘战列舰却拥有30门前主炮，不过在高速行进中双方的主炮都未能命中对方，有时射出的炮弹甚至偏得离谱。
海面上隆隆的炮声，两支相互追逐交战的战列舰队，这样的场面很容易将人们的思维带回到一战时期的巨舰大炮时代，但实际上在这个时代，即使是长门级410毫米的主炮也难以对敌手在厚重装甲包裹下的重型战列舰构成致命的打击。时代已经变化，战列舰发射的重磅炮弹固然可怕，但却很难击沉一艘重型战列舰。
陈世英站在祁连山号的指挥塔内，手里举着望远镜，通过一人多高的观测口观察着海面上的情况。海面上不时传出一阵阵闷雷般的爆炸声，从敌舰发射出来的炮弹在共和舰队前方激起数道五、六十米高的白色水柱，偶尔会遮挡住军舰上观测手们的视线。
“方位173，发现敌人大型水面目标！”远处烟雾迷蒙的海面上，共和海军每艘战列舰在用五门前主炮进行齐射时都会激起一道白色的水幕，当这些水花逐渐回落，日本海军战列舰那特有的高大塔式桅楼又会重新出现在观测手们的视野中。不过在这次齐射过后，又有两艘日本战列舰烟筒冒着黑烟，出现在战场的侧前方。
原来拖在后面的日本战舰扶桑和山城号一头闯进了战场，这两艘日本军舰在夕阳下没能看清“长门”号上发出的让其转向的信号，突然进入到战场的两个“冒失鬼”挽救了末次信正，却把自己送进了鬼门关。
“右舵15，攻击抵近的两艘日舰！”陈世英皱了皱眉头，重新调整了部署，这意味着他准备放弃已经受到重创的“长门”和“陆奥”。两分钟后，各舰在重新调整了射击诸元后，开始转而攻击闯入战场的“扶桑号”和“山城号”。
共和海军主力舰作了一次右转向的机动，将全部的侧舷火力都对准了“扶桑”和“山城”号，“扶桑”号舰长筱田胜清少将很快就判断出战场上的形势，他决心牺牲自己，以保住让日本人引以为豪的“长门”和“陆奥”。
“扶桑”号和“山城”号是日本海军自行建造的第一级“无畏舰”，两舰建成于一战之前，不过因为日本当时缺少建造大型军舰的工业技术和经验，这两艘军舰在下水的那一刻起就被贴上了“次品战列舰”的标签。
尽管如此，这艘装备了六座双联装360毫米主炮的战列舰火力和防护也堪称强大，虽然布置在舯部的两座炮塔由于射界的原因不能向两边开火。
两艘日本战列舰虽然航速较慢，但它不想跑的时候共和海军还一时拿它没有多少办法。
在其后的近一个小时的海战中，两艘舰龄近二十五年的日本老式战列舰顽强地抵抗着共和海军六艘新式战列舰猛烈围攻，从黄昏一直到傍晚，两艘日舰至少挨上了两千发各种大小口径的炮弹，浑身上下冒着熊熊的火光，整个的上层建筑几乎都被夷为平地，得依然倔强地浮在水面上。
“扶桑号”和“山城号”的舰体已经被打得千疮百孔，几乎已经看不出它原来的模样，浓烟从舰体各个地方向外喷出。它们所有的上层建筑如舰桥、桅杆、烟筒、炮塔等等，都已经被炸得七零八落，又有几艘巡洋舰也加入到对这两艘可怜的日舰的围攻之中。在两艘日舰疮痍满目的舰体上，从舰首到舰尾，炮弹接二连三地在爆炸，犹如两团巨大的火球，在海面上熊熊燃烧，火光映红发本已昏暗的天际。
扶桑号和山城号上仅剩的几门小口径防空炮还在发射着炮弹，尽管是徒劳无功，这种口径的炮弹对驱逐舰都造成不了实质性的伤害。
浓烈的火焰从“山城号”的舯部窜了出来，十数秒之后，一团蘑菇状的巨大火球升上了数百米高的天空，在火光的映照之下，这艘排水三万二千吨的巨大战舰从舯部爆炸之处开始向下弯曲，舰首和舰尾却在水面上高高地翘起，指向了天空。
只有几分钟之后，在爆炸的红光之中，海面上除了还漂浮着一些零碎的杂物和燃烧的油污，这艘巨舰已经消灭在了水面之下。
“‘山城’号沉没了！”作战室里年青的军官们兴奋地跳了起来喊道。
“命令‘昆明’号抵近，用鱼雷结果它！”陈世英强忍着内心的激动，向舰队下达着使用鱼雷对还在顽抗的“扶桑”号进行攻击的命令。他不得不佩服日本人的顽强，这艘日本战舰甲板都已经快要没入水面，依然在用舰上仅有的几门小口径火炮进行着还击。
“昆明”号巡洋舰抵近到距“扶桑”号不到三千米的距离，向这艘还在海面上残喘的军舰发射了两枚鱼雷。
随着几声巨响，日本人的这艘战列舰消失在了水面上，海面上只剩下几团燃烧的碎片，伴随出力舰队出动的“柳州”号、“衡阳”号驱逐舰开着探照灯在水面上搜巡着落水的日本水兵，共和海军主力舰队在整理和收拢着编队。
“命令舰队，准备返航！”陈世英略有不甘地抬着头看着远方暮色沉沉的天迹，下达着返航的命令。
黑夜已经来临，他不想冒险再去追逐日本人的逃兵，在晚上到处乱窜的日本驱逐舰是个很大的威胁，日本人威力巨大的93式鱼雷给他留下了很深的印象。
这是一场近乎完美的大胜，除了受到重创的“世昌”号，这艘重巡洋舰企图带领巡洋舰分队利用航速前去对逃跑的“长门”号进行拦截，但遭到日本“扶桑”号和“山城”号两艘战列舰的痛击，其上层建筑几乎被炸塌，两门主炮塔被炸坏，舰艏也被一发360炮弹削去一小半。
感谢德国人精密的水密隔舱设计，这艘受到重创进水多达2000吨的战舰在两艘巡洋舰的陪伴下，第2天上午依然踉踉跄跄返回了基地，尽管航速已经降到了15节，但还是能够坚持下来。
东沙海战称得上是一次极有意义的大胜，共和海军以牺牲156人，357人受伤和一艘重巡洋舰被重创、两艘战列舰轻伤的代价取得击沉两艘日本战列舰、两艘重巡洋舰和一艘驱逐舰，重创日军两艘战列舰、两艘重巡洋舰的重大战果，使自甲午以来一直被日本海军压制的共和海军终于有了扬眉吐气的一天。
在舰队返航的路上，凌晨3时，共和总统和国防委员会就向舰队发来了贺电，祝贺共和海军取得的“历史性的胜利”。
随着欢庆海军取得的重大胜利，国内“反攻台湾”的呼声日益高涨，共和军也在磨刀霍霍，加紧训练登陆部队和准备运输船只。整个台湾风声鹤唳，日本人在加紧防备，双方的飞机几乎每天都会在海峡上空展开激战。
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