Предлагалось несколько вариантов связки Bf 110 с «Гигантом». Более безопасным считался способ, при котором два истребителя крепились на крыльях планера и еще один — на фюзеляже. Расцепка этой конструкции должна была проводиться непосредственно перед посадкой. В КБ Мессершмитта провели ряд экспериментов по доводке системы, но ввиду чрезмерной сложности проект был закрыт. Таким образом, стало очевидным, что использование нескольких буксировщиков является тупиковым путем. Необходимо было искать другой способ.
Выход был найден в результате объединения двух стандартных двухмоторных бомбардировщиков Не 111Н-6 в одну машину: самолеты срастили плоскостями, между которыми встроили еще одну секцию крыла с дополнительным двигателем. Получившийся в результате двухфюзеляжный Не 111Z (от слова «Zwilling» — «спарка») был оснащен пятью двигателями Jumo 211 А, суммарная мощность которых достигла 6750 л. с. Этого было вполне достаточно, чтобы поднять в воздух (при помощи ракетных ускорителей) даже такую махину, как Me 321. Все прочие элементы «Хейнкелей» остались без изменений. Экипаж шесть человек: в левом фюзеляже размещались командир, радист и бортмеханик, в правом — второй пилот, второй механик и стрелок. Испытания системы начались осенью 1941 года, после чего построено 12 экземпляров этой удивительной машины (включая два опытных образца). Применение «Цвиллинга» даже повышало грузоподъемность связки: например, во время операции по эвакуации раненых с Кубанского полуострова в грузовой кабине «Гиганта» устанавливалось 100 носилок, а в Не 111 — еще 30. Несмотря на успех испытаний, основным средством буксировки «Гигантов» остались все же Bf 110.
В войсках Me 321 поступали на вооружение сформированного в июне 1941 года полка тяжелых планеров, в котором числилось шесть эскадрилий — три транспортные (по 6 «Гигантов») и три буксировочные (по 12 Bf 110). Впоследствии были установлены новые штаты: четыре эскадрильи включали в себя по 5 Me 321 и по 15 буксировщиков. В ходе войны планеры приняли активное участие в агрессии против Советского Союза в качестве десантных, транспортных и санитарных машин.
Эксплуатация Me 321 во фронтовых условиях выявила неустранимые недостатки, связанные с необходимостью их буксировки. Дальность полета связки истребителей с «Гигантом» на буксире составляла всего 400 км, что до предела затрудняло переброску тяжелых машин на различные ТВД и последующее боевое применение. В связи с этим возникла идея оборудования Me 321 силовой установкой, то есть превращения его в мотопланер или транспортный самолет.
Весной 1941 года начались работы по оснащению одного из Me 321В с двойным управлением авиационными двигателями. В связи с необходимостью установки на машине большого количества моторов (не менее четырех) и острым дефицитом серийных германских двигателей для оснащения боевых самолетов было решено использовать в этих целях трофейный французский Gnome-Rhone 14N 48/49 (до 1940 года использовался на новейших французских бомбардировщиках Bloch 175). В июне завод в Лейпхейме получил из оккупированной Франции первые 400 моторов, после чего начались эксперименты. Параллельно велась разработка двух вариантов мотопланера: Me 321С (четыре двигателя) и Me 321D (шесть); оба они имели двойное управление.
Впоследствии новые машины были переименованы: Me 321C/D стали обозначаться как Me 323C/D. Испытанный 20 января 1942 года четырехмоторный Me 323V1 в серию не пошел: мощности его силовой установки не хватило для отрыва от земли с максимальной загрузкой без участия буксировщика. Дальнейшие работы сосредоточились на доводке шестимоторного Me 323V2, управляемость которого, хотя и затрудненная, была признана приемлемой. В течение 1942 года были выпущены 10 предсерийных машин модификации D-0 (V3 — V12).
Фюзеляж мотопланера остался практически без изменений, крыло, в котором устанавливалась батарея двигателей и встроенные топливные баки, было усилено. Значительным переделкам подверглось шасси: вместо двухколесного «Гиганты» теперь оборудовались неубирающимся десятиколесным, наполовину закрытым длинными обтекателями. Передняя двухколесная тележка каждого борта состояла из колес меньшего диаметра, трехколесная задняя (основная) оснащалась гидравлическими тормозами. Шасси оборудовалось мощными пружинными рессорами. Особенностью этой системы было то, что в ходе погрузки — выгрузки она удерживала самолет на «ровном киле»; в качестве страховки в конце грузовой кабины выпускалась специальная штанга, упиравшаяся в грунт. Хвостовой костыль по сравнению с Me 321 уменьшен и перенесен дальше в хвост.
Грузовая кабина была несколько уменьшена: в ней размещалось 120 солдат или 60 раненых на носилках вместо 200 и 100 соответственно в безмоторном варианте. «Гигант» серийной модификации D-1 поднимал 10–11 тонн груза, для варианта D-2, оснащенного моторами меньшей мощности, этот показатель составлял 8–9,5 тонн.
Изменилось расположение окон в кабине, в них можно было установить от двух до четырех (на D-0 — до шести) пулеметов MG 34: вооружение десанта. На верхней части фюзеляжа, за крылом, были установлены две турели полузакрытого типа с 7,92-мм пулеметом MG 17 каждая. На машинах D-1 /D-2 этот арсенал дополнялся еще двумя MG 15 под боковыми блистерами. Таким образом, на самолетах этих серий общее число пулеметов было доведено до шести, а на предсерийной D-0 — до четырех (не считая вооружения «пассажиров»).
14-цилиндровый двигатель воздушного охлаждения развивал максимальную мощность 1140 л. с. Как и на американских Lockheed Р 38 «Lightning», воздушные винты обеих моторных групп вращались в разные стороны: правые — по часовой стреле, левые — против. Огромные габариты машины заставили использовать для технического обслуживания моторов специальные лестницы, установленные на грузовиках.
В экипаж включили двух бортмехаников, причем каждый из них размещался в кабине, расположенной на крыле, между внутренним и средним двигателями. В обязанности механиков входил постоянный контроль за силовой установкой соответствующего борта, поэтому они имели доступ к моторам и в полете. В крыльях располагались топливные баки емкостью 5340 литров. Дополнительные баки могли размешаться в грузовом отсеке.
Переоборудованные «Гиганты» поступали преимущественно во вновь сформированную в октябре 1942 года 5-ю транспортную эскадру, дислоцированную на Сицилии. После начала регулярных полетов через Средиземное море с грузами для Африканского корпуса Роммеля (ноябрь 1942-го) неповоротливые и тихоходные «Мессершмитты» стали нести большие потери: сказывалось отсутствие надежного истребительного прикрытия. Например, 22 апреля 1943 года у мыса Бон перехватившие направлявшийся в Африку караван транспортников англичане сбили 14 Me 323 из 16.
Пытаясь спасти положение-, немцы постепенно усиливали оборонительное вооружение «Гигантов». Еще в конце 1942 года два пулемета винтовочного калибра, установленные в верхних окнах створок грузовой кабины, заменили двумя 13-мм MG 131 (MG 15 перекочевали в нижние окна). Модификация D-6 отличалась установкой за кабиной экипажа еще одной пулеметной точки (два 7,92-мм MG 15), которую обслуживал радист. Поскольку эти меры оказались недостаточными, усиление вооружения продолжалось.
Вскоре появилась новая серия «Гигантов» — Me 323Е. Модификация Е-1 (прототип — V13) отличалась от своих предшественников наличием более вместительных крыльевых топливных баков и установкой по бортам фюзеляжа остекленных турелей с крупнокалиберным пулеметом MG 131 каждая, а кроме того — еще и двумя 20-мм пушками MG 151 /20, размещенных на крыльях, между внешним и средним двигателями. Пушки устанавливались в турелях закрытого типа, вращающихся с помощью гидравлики. Пулеметные точки с 7,92-мм MG 17, ранее располагавшиеся за крылом, были демонтированы. Последовавший за Е-1 вариант Е-2 был дополнительно вооружен 13-мм пулеметом в закрытой турели за кабиной экипажа (вместо устанавливавшихся там ранее двух MG 15). В аэродромных ремонтных депо на машинах могли устанавливать дополнительные стрелковые точки как с обычными, так и с крупнокалиберными пулеметами.
