В июле–августе 1943 г. был построен второй опытный экземпляр, т. к. первый опытный (доработанный) образец был разбит при посадке. Летчика отправили залечивать переломы, аппарат отремонтировать не удалось.

Новым шеф-пилотом от НИИ ВВС стал Н. В. Гаврилов, который поднял в воздух второй образец, именовавшийся ТИС «МА». Это произошло в конце 1943 г. Для более передней центровки двигатели получили более переднее положение. Водорадиаторы были расположены в консолях крыла со входом воздуха в туннели через щелевые вырезы в передней кромке. Маслорадиаторы получили большую рабочую площадь и остались на прежнем месте.

Это была модификация самолета ТИС «2А», на которой оставались моторные отсеки крыла в надежде, что мощные двигатели М-90 Е. В. Урмина все-таки выйдут в свет и их можно будет поставить на самолет без переделок крыла. Мотогондолы стали немного короче, поскольку на самолете внутри капотных водорадиаторов не стало. Геометрические характеристики фюзеляжа, крыла и хвостового оперения остались прежними, как на модифицированном ТИСе «2А».

Двухмоторный истребитель «Кавасаки» Ки-45 отличался от других японских самолетов военного периода необычайно долгой разработкой проекта, но в конце войны именно он оказался единственным ночным истребителем армии, способным противостоять налетам американских стратегических бомбардировщиков В-29 на территорию Японии.

Появление накануне второй мировой войны в небе Европы и Америки двухмоторных дальних истребителей не осталось без внимания со стороны штабов японских вооруженных сил, которые увидели в этом самолете решение проблемы недостаточной дальности полета одномоторных истребителей. Однако, когда в марте 1937 г. появились официальные спецификации на такой самолет, в них не были точно определены ни состав вооружения, ни скорость, ни управляемость — в армейских верхах еще не устоялись взгляды. В результате появления этих спецификаций промышленность разработала три проекта: «Накадзима» Ки-37, «Кавасаки» Ки-38 и «Мицубиси» Ки-39. Учитывая большую загрузку «Накадзимы» и «Мицубиси», проекты Ки-37 и Ки-39 были довольно скоро остановлены, зато проработка Ки-38 продвигалась на редкость гладко. Работы по самолету возглавлял Изаму Имаси. В октябре 1937 г. был готов макет Ки-38, представлявший собой двухмоторный моноплан с крылом эллиптической формы в плане и с двумя двигателями жидкостного охлаждения. Работы были, правда, приостановлены, чтобы дать армии определиться в требованиях к двухмоторному истребителю.

В декабре 1937 г. фирме «Кавасаки» было предложено начать работу над новым вариантом самолета — Ки-45, который в целом базировался на Ки-38 и должен был отвечать следующим требованиям: максимальная скорость — 540 км/ч на высоте 3500 м; боевая высота полета — 2000–5000 м; продолжительность полета — 4 часа 40 мин при скорости 350 км/ч плюс 30 минут боя; вооружение состояло из двух пушек, направленных вперед, и одного оборонительного пулемета на турельной установке; двигатели должны были быть «Накадзима» На-20b — лицензионный вариант 9-цилиндрового двигателя воздушного охлаждения Бристоль «Меркурий». Работы над новым самолетом, начавшиеся в январе 1938 г, возглавил Такео Дои. Первый опытный самолет (№ 4501) был готов через год. Он получил обозначение «армейский экспериментальный Ки-45». Самолет был оснащен двумя двигателями «Накадзима» На-20b мощностью 820 л.с. на высоте 3900 м. Двигатели размещались в довольно больших мотогондолах с выхлопным коллектором перед цилиндрами. Вооружение состояло из двух 7,7-мм пулеметов «тип 89» в носовой части фюзеляжа и 20-мм пушки Но-3 в обтекателе справа под фюзеляжем и одного 7,7-мм пулемета «тип 89» на подвижной установке для стрельбы назад.

Летные испытания показали излишне большое сопротивление мотогондол, кроме того они выявили трудности ручной уборки шасси и некоторые проблемы с двигателями. Для снижения аэродинамического сопротивления на втором опытном самолете (№ 4502) установили капоты, более плотно обжимавшие двигатели, а также коки винтов. На третьем опытном самолете (№ 4503) был опробован канальный кок винта, а выпуск охлаждающего воздуха происходил через щель в крыле. На этом же самолете установили электросистему уборки шасси. Несмотря на улучшение аэродинамики, скорость самолета составляла только 480 км/ч на высоте 4000 м — гораздо меньше задания. Так что Ки-45 мог рассматриваться неудачей для разработчиков. Армия решила приостановить работы по проекту для его переработки. В результате остановились работы над еще шестью опытными машинами.

В апреле 1940 г. фирме «Кавасаки» было предложено использовать 1000-сильные двигатели «Накадзимы» Ha-25 — 14-цилиндровые, двухрядные «звезды» с нагнетателем. Так как новые двигатели «Накадзимы» имели меньший диаметр, это позволило установить капоты по типу NACA и меньшие коки винтов. Новый самолет получил обозначение «экспериментальный Ки-45 улучшенный тип 1». Он был готов в июле 1940 г. Несмотря на то, что в первом же полете самолет потерял жалюзи капота и совершил вынужденную посадку, доработки были признаны удачными, и пять оставшихся на сборочной линии опытных машин были закончены по его образцу. Скорость самолетов достигала 520 км/ч на высоте 2500 м.

Пока армия проводила оценку проекта Ки-45, Такео Дои предложил ряд доработок самолета, которые должны были облегчить серийное производство и улучшить летные данные и управляемость. При тех же двигателях На-25 новый Ки-45 КАИ отличался более тонким фюзеляжем с новым килем, прямыми кромками крыльев, вместо эллиптических, новыми мотогондолами меньшего диаметра, заменой 7,7-мм пулеметов «тип 89» крупнокалиберными 12,7-мм пулеметами «тип 1» (Но-103), установкой рефлекторного прицела вместо телескопического. Штаб армии согласился с этими доработками в октябре 1940 г. Первый Ки-45 КАИ был готов в мае 1941 г. После испытаний трех опытных машин «Кавасаки» получила приказ готовить производство самолета, получившего обозначение «двухместный истребитель армейский тип 2, модель А „Торю“ (Убивающий дракон)» или Ки-45 КАИ.