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En janvier 1939, la firme Californienne d'Inglewood faisait voler pour la première fois le NA-40, un bimoteur triplace propulsé par deux moteurs Pratt & Whitney R-1830 de 1.100 chevaux. Cette étude que North American Aviation avait lancée à ses propres frais devait arriver à point nommé pour répondre à une spécification émise par l'USAAC (US Army Air Corps) au même moment.
Malgré un accident de la version d'évaluation NA-40B, une première commande de 184 avions fut passée, d'importantes modifications étant cependant demandées. Parmi celles-ci, un accroissement de la masse totale au décollage de 3,5 tonnes (12.388 kgs), un repositionnement de l'aile, un équipage de cinq hommes et un armement plus conséquent.
Le premier B-25 (NA-62) d'une série de 24 machines vola en août 1940, équipé de moteurs Wright R-2600-9 de 1.700 chevaux. Quarante B-25A (NA-62A) suivirent équipés d'un blindage renforcé et de réservoirs auto-obturants. La version B-25B (NA-62B), dépourvue de tourelle de queue est celle qui devait être fournie également à la RAF, sous contrat de location. La totalité (sauf un) de ces avions fut livrée en Afrique du Nord. Ces mêmes avion se retrouvèrent finalement en Inde (Dum Dum, janvier 1943) A ce moment, on retrouve le B-25 en de nombreux endroits, comme l'Australie et même en Russie.
Les versions B-25C (NA-82) et B-25D (NA-82A) qui équipèrent par la suite l'Angleterre, la Russie et le Canada comportent de nombreuses améliorations, parmi lesquelles l'adjonction d'un pilote automatique, une charge utile supérieure (2.360 kgs de bombes) et une puissance accrue (R-2600-13 de 1.700 cv).
405 B-25G quadriplaces furent dérivés de la version C et équipés d'un canon M4 de 75 mm à armement manuel pour l'attaque en mer. La cadence de tir était nettement insuffisante, et la version B-25.H (Construite à un millier d'exemplaires) remédia à ce problème grâce au montage d'un canon plus léger de même calibre et au retour vers un équipage de cinq personnes.
La version dont le plus d'exemplaires furent construits est le B-25J (4.390 exemplaires) : Un équipage de six hommes, quatre mitrailleuses de nez remplaçant le canon de 75 mm, une tourelle supérieure repositionnée directement derrière le cockpit et des moteurs R-2600-29. Notons que 295 B-25J furent achetés par la RAF sous la dénomination Mitchell Mk III. Les dernières versions du B-25J comportent 18 mitrailleuses en tout, huit de celles-ci étant montées dans le nez non vitré.
L'histoire la plus célèbre est celle des seize B-25B commandés par James Doolittle qui purent en avril 1942 atteindre Tokyo et d'autres villes japonaises lors d'une mission symbolique de bombardement. Décollant à partir du porte-avions USS Hornet pour terminer leur mission par un atterrissage forcé en Chine ou en URSS, ces avions du 17ème groupe avaient été spécialement modifiés pour une plus grande autonomie: Capacité en carburant sensiblement augmentée et armement réduit. L'effet de cette mission eut un effet positif non négligeable sur le moral des troupes américaines encore sous le choc de Pearl Harbor à cette époque.
On retrouve le B-25 sur tous les théâtres d'opération, en particulier dans les forces stratégiques: 9ème USAAF (basée en Angleterre) et 12ème USAAF (basée en Afrique du Nord puis dans le sud de l'Italie, la Sardaigne et la Corse).
Déjà pendant la guerre, les premières versions du Mitchell (A, B, C) furent converties en appareils d'entraînement (AT-24).
Après la guerre de nombreux B-25 furent retirés des premières lignes. Certains rejoignirent la base de Yuma (Arizona), où ils furent affectés à l'entraînement au bombardement sans visibilité (TB-25).
D'autres furent convertis en appareils de transport rapide destinés aux officiers de haut rang (CB-25). C'est dans un tel appareil que le Maréchal Leclerc trouva la mort le 28 novembre 1947.
Aucun autre avion que le B-25 Mitchell n'eut une aussi intense carrière dans l'industrie du cinéma.
Dès 1944, un film raconta la planification et l'exécution du raid de Doolittle sur Tokyo: Thirty Seconds Over Tokyo (Trente secondes sur Tokyo). C'est aussi l'avion visible dans Les Plus Belles Années de notre vie (de 1946).
Des B-25 furent employés pour les prises de vue aérienne pour le film La Bataille d'Angleterre: Ses versions à nez vitré expliquent pourquoi l'industrie cinématographique fit appel au B-25, surtout lors de prises de vue en plein ciel.
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