南京沦陷后，国民政府西迁，武汉一时成为全国政治、经济和军事中心，自然被日军作为重要战略进攻目标。1937年11月24日，《申报》报道了国民政府副主席汪精卫从南京乘坐中山舰抵达武汉的消息。此为该报最后一次报道中山舰的行踪。因为随着战事日紧，中山舰很快被派往前线作战。1938年，面对日军的西进，国民政府决定发动“保卫大武汉”战役，投入兵力达百万之众。中山、永绩等8舰奉命驻防武汉，协同陆军加强江防。日军为了摧毁我海军总司令部，于1938年7月20日派遣飞机30余架向设在岳阳的海军总司令部发动空袭，中山舰在武汉上游参与了反击作战。此后中山舰在参加作战之外，也扮演着运输角色，在长江中游运送炮弹。
1938年10月27日武汉三镇全部沦陷。在武汉沦陷之时，中山舰奉命由岳阳出发，游弋于汉口上游江面，担负从嘉鱼、新堤至武昌金口一线的警戒任务。因为该舰上的主、副炮已经被拆下，安装在沿江的几个要塞上，因此剩下的火力并不强，全舰“只有20毫米的火炮两门，德制高射炮一门和小型英制火炮两门”，防卫能力较差。10月24日上午9时，日军一架侦察机由东飞临金口中山舰停泊处上空，该舰立即以高射炮应对，侦察机仓皇逃遁。由此，舰长萨师俊断定一场恶战不可避免，要求全舰做好战斗准备。
果不其然，正午时分，当中山舰接到上级命令，准备前往汉口执行任务之时，天空传来一阵低沉的轰鸣声，6架日军轰炸机迎面飞来。他们在盘旋一周后，“都朝北向大军山方向飞去，然后一个大迂回”，掉头直扑中山舰，向其投掷了大量炸弹。在舰长的指挥下，全舰官兵同仇敌忾，誓与军舰同存亡，集中舰上现有的火力向日军反击，在友邻军舰的协助下，击落敌机两架，使得日机不敢低飞投弹以提高命中率。但不料，中山舰首的高射炮由于长时间发射，温度过热导致故障而突然停火。日机乘此机会从舰首方向俯冲下来，轮番进行轰炸。一枚炸弹击中左舷舵机舱，致使其船舱进水，紧接着一门高射炮被炸毁，8名炮手牺牲。危急时刻，中山舰舰长萨师俊尽管一条腿被敌机炮弹炸断，但仍然镇定自若，血流如注，“然犹奋不顾身，下令发炮还击”，继续在指挥台上指挥全舰将士杀敌。官兵见舰长受伤，乃建议其离舰暂避，但被他峻拒：“诸人尽可离舰就医，惟我身任舰长，职资所在，应与舰共存亡，万难离此一步。”
据目击者于泰回忆，当时他与爱人正在江面打鱼，只听见“飞机的轰鸣声、军舰的炮击声、炸弹的爆炸声响彻云霄，震耳欲聋”，“飞机的怪叫声简直要把我们的心肺撕裂”，只见飞机上一排排炸弹，正雨点般地向中山舰倾泻，未命中的炸弹在军舰周围掀起了几丈高的水柱。舰上几处着火，烈焰冲天，舰身渐渐失去平衡，官兵伤亡过半，剩下的人在副舰长吕淑奋的指挥下，用手提机枪和步枪对空射击，继续浴血奋战。此时，中山舰舰尾再中一弹，直透船舱，江水的大量漫入，使得船身严重倾斜。
在这个时候，中山舰因受创过重，基本丧失了抵抗能力，倾斜度也越来越大，一面顺水漂流，一面逐渐下沉。据于泰回忆，他当时见到“军舰舰首首先下沉，没入水中，舰尾高高翘在水面上”。在这个时候，全舰官兵开始跳水逃生。当勤务兵黄珠官背着舰长放下救生艇之时，毫无人道的日机低空飞行，以密集的机枪向救生艇扫射，最终将其击沉。1938年10月24日下午3时50分，在倾斜度达到40度之时，一声巨响，一代名舰中山舰就此沉没于滔滔江水之中，伴随它的，还有包括舰长萨师俊在内的25名（一说24名）英雄官兵。
三、中山舰的祭奠与重出水面
时光荏苒，中山舰尽管已经沉没，但人们始终并未将它忘记。1989年10月24日，这一天为中山舰沉没51周年，武汉市老海军联谊会和武汉各界到中山舰的殉国地金口举行大规模的祭奠活动。这天武昌金口的江面，天高云淡，碧空如洗。上午11点半，一艘炮艇抵达龙床矶87249部队1号码头，乘客为武汉市老海军联谊会、武汉市政协、中共武汉市委统战部等单位及社会团体代表，总计近百人。他们携带花圈，手捧花束，会同武昌县、金口镇的党政领导和中小学生以及部队官兵600余人，缓缓步入由武汉市老海联为中山舰抗日阵亡烈士举行现场祭奠而设置的灵堂。
灵堂布置十分庄严肃穆，正上方天蓝色幕布上为一个金光闪闪的大“奠”字，周围点缀以小白花。在奠字上方为一黑布做的横幅，两旁分别贴着祭文和烈士姓名录。由老海联制作的大花圈放置于“奠”字下中央，在它两边排列着许多花圈、花篮。花圈的前中央摆放着25支白蜡，烛光摇曳，象征着中山舰25位英烈，两旁由两位战士负责守灵。一幅挽联分别悬挂在幕布的两侧：
“抗日寇舰没金口折戟沉沙铁未销雄姿将重见天日
保武汉血洒长江捐躯殉国魂犹在英名必永照汗青”
祭奠仪式开始后，全体人员肃立，由武汉市政协常委、原国民党海军第二舰队分指挥官兼太原舰舰长陈务笃担任主祭，他在向烈士致献酒辞后，集体举杯向英烈献酒。接着全体成员向烈士灵位脱帽默哀并鸣礼炮、奏哀乐，并由主祭人恭读祭文，最后由范光华代表老海军后裔向中山舰殉国烈士朗诵《悼英烈》词。礼毕，大家来到江边，部分人员登上炮艇，离开码头，炮艇降半旗、鸣汽笛，围绕沉舰之处航行一周，并由老海军代表向江中抛撒花瓣，部队战士和中小学生在船上列队致敬，使祭奠活动达到高潮。这次活动的举行，为中山舰后来重见天日奠定了基础。
中山舰不仅是中国人民英勇抗战的象征，更是整个人类反法西斯斗争的重要见证。因此，为了纪念中山舰及其将士的英勇事迹，不少专家学者多次吁请政府出面将该舰打捞出水，将其作为永久纪念展览。1997年，经武汉市委、市政府研究决定，根据“整旧如旧，恢复原貌”的原则，将沉没长江60年的中山舰打捞出水。此次打捞活动得到了社会各界的广泛支持，不少人甚至展开了为打捞活动的募捐。在经过湖北造船厂的修复后，2008年，中山舰在金口再次下水，它基本恢复了1925年前后的原貌。但修复后的中山舰保持了遭日机轰炸后的状态，如有两个巨大的弹洞，以此来警醒世人。中山舰被打捞起来后，作为重大历史事件的物证，它被定为国家一级文物，并以其为基础建立了陈列馆，同时被展出的，还有与它同时出水的6000余件文物。由此，一代名舰——中山舰在沉睡60年后，再次与世人见面，并继续发挥着教育后人不忘国耻、增强国防观念的作用。
从订制、诞生、沉没再到出水，中山舰的沉浮起落长达近一个世纪的岁月，经历了晚清、北京国民政府、南京国民政府、中华人民共和国四个历史时期，它不仅是中华民族为了追求独立、自由、民主所遭受种种挫折与磨难的见证，更是中华民族从落后挨打走向伟大复兴的历史见证。
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