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在被发现之前，美军其实有机会发现前方的危险。
确认探测到的是美军驱逐舰之后，“保定”号与“唐山”号都向旗舰，即“北京”号发出了电报，而美军战舰上的无线电监听与测向装置也截获了两艘轻巡洋舰发出的信号，只是没有引起重视。
如果第31舰队在这个时候转向，那么暴露的仅仅是那两艘驱逐舰。
可惜的是，斯普鲁恩斯当时不在指挥岗位上，而代替他执勤的克拉克少校正在安排天亮后的侦察与攻击任务。
直到被“保定”号与“唐山”号的雷达探测到，克拉克才把斯普鲁恩斯叫了起来。
此时，战斗编队与第31舰队的距离不足一百公里。
其实，这个时候，第31舰队仍然有机会回避，即立即转向，而战斗编队的最大航速并不比第31舰队高，且无法以追高速度持续追击，顾祝同也不会笨到去追击第31舰队，因为只要天亮，美军的舰载机就能出动，而他指挥的战斗编队就算获得防空掩护，也没有多少机会逃走。
问题是，斯普鲁恩斯没有下令转向。
当时，斯普鲁恩斯显然没有认识到局面的严重性。
根据克拉克少校回忆，在确认前方有两艘中国海军的轻巡洋舰后，斯普鲁恩斯依然下令追击，并且提到，那很有可能是两艘留下来断后的战舰，而中国舰队肯定正在驶往、或者已经进入伊莎贝尔水道。当时，斯普鲁恩斯只命令那两艘驱逐舰盯住中国巡洋舰，而没有做出其他调整。
两点不到，战斗打响。
在接到顾祝同的命令后，“保定”号与“唐山”号率先开火，随即那两艘美军驱逐舰也开火还击。
显然，驱逐舰根本不是轻巡洋舰的对手。
虽然中国海军的轻巡洋舰也存在吨位偏小的问题，但是在火力上，轻巡洋舰肯定比驱逐舰强得多。“保定”号与“河北”号同属于在战前开工建造的“大同”级，即“南通”级的改进型，两舰都有四座三联装一百五十毫米舰炮，此外还各有八门一百二十毫米舰炮，比任何一种驱逐舰都要强得多。
炮战打了不到十分钟，两艘驱逐舰就败下阵来，其中一艘在撤退途中沉没。
两点半，“保定”号的雷达率先探测到了美军舰队里的航母，随后“唐山”号也确认美军舰队里有两艘航母。
收到消息，顾祝同立即命令四艘大型巡洋舰与防空巡洋舰加速前进。
直到这个时候，第31舰队都没有减速，斯普鲁恩斯只调派了两艘重巡洋舰去对付那两艘中国海军的轻巡洋舰。
与重巡洋舰交火，轻巡洋舰就占不到便宜了。
虽然在理论上，轻巡洋舰的主炮对重巡洋舰也有足够的威胁，毕竟重巡洋舰只是加强了火炮威力的轻巡洋舰，在防护上与轻巡洋舰没有太大的差别，而第31舰队里的四艘“北安普敦”级重巡洋舰，实际上是“彭萨科拉”级的小改型，主要就是用三座三联装主炮炮塔取代了四座混装炮塔，在主炮数量减少一门的情况下，其他性能有了大幅度提高，属于战斗力较均衡的重巡洋舰。但是在炮战中，重巡洋舰上的八英寸舰炮拥有压倒性的火力优势，能够在任何距离上重创轻巡洋舰。
说白了，只要被一枚八英寸炮弹击中，轻巡洋舰就吃不消，而重巡洋舰能承受多枚一百五十毫米炮弹的打击。
更重要的是，美军巡洋舰上也有雷达。
炮战从二万一千米打到一万六千米。最初几分钟内，两艘美舰的火力优势十分明显，主要就是轻巡洋舰上的一百五十毫米舰炮的有效射程不到二万米，而重巡洋舰上的八英寸舰炮的有效射程在二万米以上。
所幸的是，在远距离炮战中，命中率不会高到哪里去。
打到一万六千米的时候，虽然两艘轻巡洋舰已能还手，而且一百五十毫米舰炮的射速要比八英寸舰炮高得多，弥补了炮弹威力不足带来的问题，但是美军的优势依然明显，毕竟两艘轻巡洋舰都承受不了打击。
三点不到，两艘轻巡洋舰败下阵来。
“保定”号首先中弹，在舰首的主炮炮塔被摧毁之后，如果不是炮长及时下令向弹药库注水，恐怕“保定”号就完蛋了。“唐山”号的处境稍微好一些，因为它在美军战舰的西北方向上，并没有直接与美军交战。更重要的是，两艘美军重巡洋舰首先集中炮火打击了挡在第31舰队前进方向上的“保定”号，只用副炮向“唐山”号开火，直到“保定”号带伤退出战斗，两艘美舰的主炮才指向“唐山”号。所幸的是，“唐山”号没有坚持，而是立即跟随“保定”号撤退。
有趣的是，斯普鲁恩斯在这个时候下达了一道命令，让两艘重巡洋舰归队。
也就是说，斯普鲁恩斯没有让重巡洋舰去追击中国战舰。
要知道，在“唐山”号转向撤退的时候，顾祝同率领的四艘战舰就在其西边大约二十五公里处。如果斯普鲁恩斯没有把两艘重巡洋舰召回，那么在十多分钟之后，这两艘重巡洋舰上的雷达就能探测到顾祝同率领的四艘战舰。
显然，斯普鲁恩斯错过了最后的机会。
三点二十分，“北京”号上的雷达探测到了正在向东航行的美军重巡洋舰，只是距离太远，还无法开火。
这个时候，美军重巡洋舰并没有探测到“北京”号。
主要是，美军对海搜索雷达的性能比中国海军的差了一些，而且“保定”号在“北京”号的到来方向上。“北京”号上的雷达操作员知道“保定”号的确切位置，因此在处理雷达信号的时候，可以把“保定”号反射的信号排除在外，而美军巡洋舰上的雷达操作员并不知道具体情况。
可以肯定，当时就算美军战舰探测到了“北京”号，也无法做出准确判断。
三点四十五分，“北京”号九门主炮打出的齐射，把这场夜间海战推向**。
首先遭到攻击的，正是在之前击伤了“保定”号与“唐山”号的两艘美舰，即“路易丝维尔”号与“芝加哥”号重巡洋舰。
此时，美舰已经发现了“北京”号。
有趣的是，在用雷达探测到了中国海军的四艘大型巡洋舰与防空巡洋舰之后，美舰依然没有做出准确判断，认为那是几艘轻巡洋舰。直到“北京”号打出的炮弹落在“路易丝维尔”号附近，美军舰长才猛然发现，他们遭到了重巡洋舰、或者说是大型巡洋舰的攻击，对手不是轻巡洋舰。
消息立即送到斯普鲁恩斯手上，而这个时候，他所在的“约克城”号航母离“北京”号只有不到四十公里。
当时，“约克城”号航母上的雷达并没启动。
也就是说，“约克城”号根本没有探测到中国战舰，而“北京”号的对海搜索雷达早就发现了“约克城”号。
遭到大型战舰攻击，这可不是开玩笑的事情。
要知道，“约克城”级航母上并没有配备对海作战的大口径舰炮，最有威力的只是五英寸高平两用炮。
即便是四艘重巡洋舰，也绝对不是中国海军的大型巡洋舰与防空巡洋舰的对手。
斯普鲁恩斯的第一反应，就是把另外两艘重巡洋舰派上去，并且让留在后面的轻巡洋舰跟上来。
当时，斯普鲁恩斯没有想到撤退。
要知道，所有迹象都表明，中国舰队就在前面不远处，而且再过三个小时，天色就将放亮，到时候舰载航空兵就能出动了。
问题是，第31舰队能够坚持三个小时吗？
四点不到，炮战进入到关键阶段。
双方都投入了四艘战舰，而且都有能力打垮对手，只是主动权不在美军手上，优势也不在美军这边。
虽然“北京”级大型巡洋舰与“南京”级防空巡洋舰在设计的时候，并不是为了进行炮战，但是两种战舰上配备的主炮，却是当时世界上最先进的中等口径舰炮，不管在威力、射程还是精度上，都优于当时任何一种重巡洋舰上的八英寸舰炮。更重要的是，中国战舰上有性能先进的炮瞄雷达，而且在击败日本海军之后，为各艘大型战舰配备了以炮瞄雷达为核心的雷达火控系统。
美军战舰上也有炮瞄雷达，但是没有火控系统。
最大的差别，就是中国战舰上的各个炮组，都能够直接利用炮瞄雷达提供的参数，不再需要统一指挥，而且雷达测出来的数据都是即时发给炮长的，让炮长能用最短的时间瞄准目标。没有火控系统的话，炮瞄雷达测到的数据将首先发给枪炮长，然后由枪炮长统一指挥所有炮组。
显然，火控系统的最大作用就是提高了主炮的作战效率。
在巡洋舰这种级别的炮战中，谁的开火速度快，谁就有优势。
理论上，八英寸舰炮的射速要比二百八十毫米与二百四十毫米舰炮高得多，但是在实战中，中国海军的四艘巡洋舰反而在射速上占了上风，主要就是火控系统大幅度提高了炮击效率。
射速比中国战舰慢，美军战舰自然占不到半点便宜。