晋察冀反扫荡作战进行的如火如荼，李振华在蒙山等得心急火燎，终于10月10日双十节那天，李振华等到了延安总部命令，杜立特轰炸机群将于3天后轰炸日本本土，总部让山东军区做好一切准备。从电报中李振华得知此次参与轰炸的B24有87架，他对这个规模很满意。
在西安机场的杜立特不是很满意，他寄以厚望的凝固汽油弹数量不足，只有50余吨，军方采购部门要求杜立特轰炸机群机组人员轰炸后拍照，以便后方评估凝固汽油弹的破坏威力，这影响到军方以后采购的规模。但事已至此，杜立特已无办法改变，他将装载凝固汽油弹的轰炸机编组在一起，集中轰炸一个目标，以利于观察凝固汽油弹的爆炸威力。
此次机群轰炸的目标有5个：东京及京滨工业区，大阪及阪神工业区，名古屋工业区，广岛、长崎。轰炸针对的都是工业目标，着重打击日本本土工业制造能力。这次有幸分配到凝固汽油弹的城市是大板及板神工业区。
轰炸机群趁着月色按计划于13日凌晨3点分批次抵达沂蒙机场，战士们熟练地分批次为轰炸机加油，加油使用的十套设备，还是轰炸机趁轰炸之余，偷运到沂蒙机场的，有了这些设备，轰炸机很快加好了油，一架一架轰炸机依次起飞，向日本本土飞去。等轰炸机机全部飞走了，战士们顾不上劳累，还要赶紧对机场进行伪装。
天亮后，轰炸机群出现在日本以东太平洋上空，重新集中编组后，同时扑向目标各地。日本各地响起凄厉的防空警报声，时隔9个月，日本本土再次遭到轰炸。刚刚上班的人们，紧急跑出工厂、大楼、房屋，向防空洞奔去。轰炸机飞临日本各目标上空，一颗颗航弹像下蛋一样扔下来，总计130多吨的炸药倾泄到了日本各工业区，爆炸声四起，火光冲天。
日本各地的防空武器开火了，高射炮弹在轰炸机的周边爆炸，形成一朵朵黑雾。轰炸机紧急避让，轰炸完后加速向西往日本海方向飞去。轰炸机来得太快，走的也快，很快就脱离日本本土上空，进入日本海空域。日军零式、一式、二式战机紧急升空，拦截B24轰炸机，双方在空中展开激战，可惜的是三款战机所载12.7mm机枪对B24轰炸机威胁不大，被寄以厚望的空高截击机二式战机同样如此。日军战机为追求航速、航程、机动性，机体结构较轻、强度较差，不能安装大口径武器，大口径武器的后坐力都能把飞机震散。反而是B24轰炸机自卫火力对这三款战机形成致命威胁。打急眼的日军飞机向B24轰炸机发动自杀式撞击，有二架B24被撞坠毁，掉进了日本海，有两个侥幸跳伞的机组人员在空中被打急眼的日军射杀。
日本本土5处主要工业区遭到重创，特别是大阪及阪神工业区，这里主要集中的是机械制造、金属工业、纺织工业。到处陷入了一片火海，根本无法扑灭，凝固汽油弹产生的高温，生生把爆炸中心的一条小河里水加热到沸腾。厂房倒塌、机器设备都被熔化，来不及跑出工厂的工人就更不用说了，死状相当凄惨。阪神工业区没有三、四个月的时间根本得不到恢复。
轰炸机群向西穿过朝鲜上空进入黄海，日军驻朝鲜、伪满的航空队升空拦截，但没有起到有效拦截作用。机群一路向西直奔西安，西安机场中美联合航空队升空警戒，为机群护航，大多数B24轰炸机安全降落了下来。有三架被高射炮击伤的轰炸机迫降时爆炸，还有三架受伤轰炸机机组人员跳伞，放弃了迫降，飞机坠毁。
整个轰炸过程可以说相当顺利，损失也不大。轰炸大阪的机组人员对轰炸的整个过程及效果进了录像和拍照，证明了凝固汽油弹的威力。为后续美军大规模使用凝固汽油弹轰炸日本本土埋下伏笔。
日本天皇震怒，严厉斥责了日本陆海军大本营高层。日本本土再次遭到空袭，暴露日本一系列问题，首先是暴露了日本军事战略的失败，战前过份高估自身实力、低估了美国的决心和恐怖的工业能力。赌国运、仓促与美军开战，迎来了恶果。同时暴露日本本土防空力量薄弱，现有战机完全无法应对美军轰炸机，日军燃油资源也严重不足。虽然东南亚有油，但运输力量不足，无法转运到本土。日本本土被轰炸还暴露了一个严重的问题，受军国主义宣传长期灌输战争狂热，日本民众对战争残酷性缺乏认知，直至接二连三空袭造成大规模伤亡，一次又一次打破了日本民众的心理底限，使得民心士气受到重创。
日本天皇责成大本营给出妥善处理方案，大本营能有什么办法，最后给出了几点意见，缅甸雨季之后执行攻击印度的计划，彻底断绝支那外援通道，大军威逼第五战区，开始制定攻击陕西的计划，最后一个就是提高各主要城市防空炮火密度，以避开日美两国战机之间的差距。
轰炸机群再一次成功轰炸日本本土，让杜立特成为了中国人心目中的英雄，激励了中国人民的抗日斗志，再加上前段时间意大利的战败（国府肯定不会宣传德军救走了墨索里尼），越来越多的中国人开始相信抗战必将取得胜利。
而此时李振华在考虑的是如何进一步避免沂蒙机场暴露引来日军报复的问题，利用沂蒙机场轰炸日本本土本身就是一项非常冒险的事，好在杜立特轰炸的频次不高，要不能无论如何都保密不了，轰炸前趁着轰炸机加油的间隙，李振华向杜立特提出美国有无航程更远的轰炸机，杜立特也表示会去问问。
李振华知道最多只要坚持到明年下半年，B29空中堡垒就要入列中美联合航空队。那时就不需要自己提心吊胆了。
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