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Le pilote de voltige Joe Casaca, accompagné du professeur Tobishima, chef de l’équipe Tobishima, part enquêter sur un gigantesque vaisseau extraterrestre qui s’est écrasé. Ils y découvrent Rita, grièvement blessée à l’intérieur du vaisseau. L’Empire Gailar commence alors à attaquer le Japon à l’aide d’un robot-bombe, et Rita explique que le seul moyen de les arrêter est d’utiliser le Space Pirate, le vaisseau à bord duquel elle est arrivée. Elle part avec Joe afin de lui montrer comment piloter le vaisseau.

Rita raconte ses origines, comment les Gailariens sont arrivés sur Terre et comment Geldon a lancé le plan d’invasion. Elle raconte également sa fuite, au cours de laquelle son père aurait été tué par les soldats gailariens. De nouvelles attaques de robots-bombes ont lieu, mais elles sont détruites.

Une nouvelle attaque menée par un robot-bombe a lieu, cette fois à Hokkaidō. Masato, le neveu du docteur Shimura, découvre ses parents morts.

Le professeur Tobishima sort avec Rita à bord du Red Dragon. Ils sont attaqués par un robot-bombe, mais parviennent à rentrer à la base. Joe, furieux que Tobishima ait emmené Rita dans ce vieil avion, est écœuré. Il se dispute même avec Rita et renonce à piloter le Space Pirate. Rita part alors détruire le robot-bombe, avec le professeur Tobishima comme copilote. Celui-ci pilote le Pirate Jet, mais il est touché et doit s’éjecter en parachute, lequel est également atteint. Joe le sauve et ils se réconcilient.

À la base, l’inquiétude grandit pour Masato, un jeune garçon devenu orphelin à cause des attaques extraterrestres et qui manifeste désormais un comportement agressif. Malheureusement, le Japon est attaqué par un nouveau monstre de Gailar et Joe part en reconnaissance à bord de son avion de chasse. L’ennemi se révèle trop puissant et le jeune homme est contraint d’effectuer un atterrissage d’urgence qui le laisse inconscient. Le héros parvient à reprendre ses esprits et, grâce à un tir habile, réussit à endommager suffisamment le monstre pour le mettre en fuite. Une fois l’ennemi, qui aurait pu découvrir l’emplacement de la base, écarté, Rita peut intervenir avec Groizer X et secourir son camarade. L’ennemi revient à l’assaut, mais cette fois Joe est aux commandes de Groizer X, ce qui lui permet de lui tenir tête.

Joe et le professeur assistent à la présentation d’un nouvel avion civil appelé Mach 3.5, conçu par le brillant scientifique japonais, le professeur Doyama. Les responsables de l’aviation décident de confier le nouvel appareil à Joe, qui en deviendra le premier pilote. Les Gailariens, informés de la nouvelle, décident d’enlever le professeur afin de s’emparer de son invention. En reconnaissance avec Kaori, la fille du professeur Doyama, Joe découvre l’attaque extraterrestre, mais trop tard. Le professeur a disparu et Joe tombe dans une embuscade tendue par deux soldats aliens, qui parviennent également à kidnapper Kaori. Les Gailariens récupèrent aussi l’élément manquant, le supercarburant nécessaire au fonctionnement du Mach 3.5. Rita entre alors en action avec le petit Tobè qui, aux commandes de la foreuse auxiliaire de Groizer X, secourt Joe, lequel parvient à détruire l’avion ennemi.

Les Gailariens, afin de ramener Rita dans leur camp, décident de produire une émission de télévision mettant en scène Kento, le premier amour de la jeune fille. Gailar envahit une station de télévision de Tokyo et ordonne la diffusion d’une cassette contenant un message de Kento destiné à Rita. En l’entendant à la télévision, Rita est profondément bouleversée. Le stratagème fonctionne : touchée par les paroles de son bien-aimé, elle ramène Groizer X sur Gailar, sa planète natale, et se réconcilie avec son peuple. Joe, déterminé à raisonner sa partenaire, poursuit Groizer X à bord d’un avion de la base, mais Kento révèle sa véritable nature hostile et abat l’appareil terrestre. Rita change alors d’avis et décide de ne pas retourner sur Gailar. Kento n’a d’autre choix que d’attaquer Groizer X. Désormais résolue à défendre sa nouvelle patrie, Rita riposte, vainc son ancien compatriote et récupère Joe, qui a amerri sans difficulté après l’accident.

Un grand scientifique japonais, le professeur Oshikawa, a mis au point un nouveau réacteur appelé V7, capable de performances extraordinaires dans le domaine aéronautique. Joe, ami de la famille du scientifique, se rend au laboratoire afin de tester personnellement ce nouveau dispositif. Il y rencontre Koji, le fils du professeur Oshikawa, un garçon dont il avait autrefois sauvé la vie. À la base d’Akane, l’alerte est donnée suite à l’apparition d’un monstre de Gailar, qui disparaît soudainement sans laisser de trace. Joe part en reconnaissance à bord de son avion dans la zone signalée. Koji souhaite l’accompagner, mais essuie un refus catégorique. Vexé, le garçon décide de prouver sa valeur en partant seul avant le héros. Dans la forêt, l’enfant est kidnappé et hypnotisé par un commandant de Gailar. Le lendemain, à la surprise générale, Koji vole les plans du réacteur V7 conçu par son père.

Le général Dogar ordonne à l’amiral Haruk d’utiliser son robot sous-marin Viking pour capturer le Shark et prendre Joe en otage. La stratégie réussit, et Haruk, malgré son amitié avec le professeur Yan, doit contraindre Rita à rendre Groizer X aux Gailariens. Rita s’oppose aux attaques du vaisseau de Dogar, et le général ordonne à Haruk de tuer Joe. Contre toute attente, l’amiral libère Joe : son code ne lui permettait pas de désobéir, mais sa morale l’a guidé. Dans un ultime acte de courage, Haruk sacrifie sa vie au nom de l’amitié : ni les cruautés de la guerre ni la haine ne peuvent effacer un sentiment si noble dans le cœur d’un homme bon.

Midori, fille d’un milliardaire surnommé le « diable » pour son indifférence envers les autres, est enlevée par l’Empire Gailar et utilisée comme bouclier lors des batailles. Joe et Rita viennent à son secours, et le milliardaire se repent de ses actes, renonçant à détruire la zone de pêche menacée par l’un de ses investissements.

Isamu Okamoto, vieil ami de Joe et pilote talentueux formé par le professeur Tobishima, arrive à la base d’Akane. De retour à Hokkaidō, son avion est capturé par les Gailariens, qui l’utilisent pour un expérience visant à modifier ses cellules cérébrales afin d’asservir l’humanité. Sous leur contrôle, Isamu devient un esclave et mène une mission contre un aéroport militaire, causant un véritable massacre. Envoyé sur une nouvelle mission, il attaque le même aéroport, tuant ses anciens compagnons. À la base d’Akane, Groizer X entre en action et découvre que le pilote ennemi est Isamu, qui ne les reconnaît pas. Distraits, Joe et Rita sont capturés avec le Groizer, forcé d’atterrir.

En remerciement pour un prêt accordé par le Japon, un pays d’Amérique envoie une statue de Vénus. Mais celle-ci est remplacée par un robot-bombe, et un prince, venu inaugurer la statue, est pris en otage.

Geldon perd patience avec Dagar et décide de piloter lui-même le robot-bombe. Il part en mission, mais meurt lors du combat contre le Space Pirate. Le maréchal Dógus est alors désigné par le chef Gólin pour prendre sa place.

Un robot-bombe attaquait des navires pour voler leur pêche.

Vicky, nièce de Dógus, est choisie pour piloter le robot-bombe. Se repentant d’avoir tué des milliers de personnes au Japon, elle renonce à combattre le Space Pirate et attaque Gélmus. Elle est détruite sur ordre de son propre oncle.

Un robot-bombe ressemblant à une souris attaque.

Un robot-bombe en forme de « soucoupe volante » attaque. Les attaques contre lui sont inutiles, car il tourne à grande vitesse. Joe propose de créer de nouvelles armes contenant une substance collante qui, en explosant, recouvrirait la soucoupe, bloquerait sa rotation et permettrait de l’attaquer.

Sabu se retrouve nu devant quelques filles et est expulsé de la base d’Akane. Joe persuade le professeur Tobishima de revenir sur sa décision en menaçant de partir avec lui. Lors de l’attaque contre le robot-bombe, Joe et Rita découvrent Sabu à bord du Space Pirate. Le professeur Tobishima l’expulse immédiatement, mais Sabu aide finalement Joe et retourne normalement à la base.

Jem monte en cachette dans le tank pirate et se retrouve au milieu d’une véritable bataille.

Une nouvelle stratégie est mise en place. Clyde Pantera, pilote habile, est envoyé pour défier Joe dans un duel aérien. Tous deux subissent des accidents, mais Pantera finit par devenir ami avec Joe.

La base avancée de Gailar est détruite.

Un étrange météorite tombe dans un lac, tuant les poissons. Akira, le pêcheur, va enquêter et est capturé par le faux météorite, en réalité une arme des Gailariens.

Insatisfaits des échecs répétés de Dógus, Geldon et Gólin lui ordonnent de piloter lui-même le robot-bombe. Une nouvelle arme est développée par l’Empire Gailar, capable de traverser vitres, murs et blindages. Joe et Rita sont touchés et le Space Pirate tombe dans la mer.

Joe et Rita ne sont pas morts : ils sont secourus et reprennent le combat, détruisant le robot-bombe et son tireur. Le maréchal Dógus s’échappe avant que le robot-bombe ne soit complètement détruit.

Un nouveau robot-bombe est lancé : le robot-bombe Apollon, un tank géant.

Le Gélmus est détruit par le Space Pirate. Les trois fils de Dagar apparaissent pour venger la mort de leur père et sont choisis pour piloter les robots-bombe. Deux sont détruits au combat, mais le troisième, tourmenté, décide de fuir.

Masato présente des symptômes étranges et est examiné par le docteur Shimura, qui découvre que le même attaque ayant tué ses parents a laissé en lui une maladie le condamnant à moins de six mois à vivre. Ému, Joe emmène Masato à bord du Space Pirate pour qu’il se venge de la mort de ses parents. Une nouvelle piste de décollage est construite, permettant de lancer le Pirate depuis l’eau.

Un robot-bombe en forme de baleine engloutit le pétrolier Korushimaru et emmène son équipage en otage jusqu’à la base avancée de Gailar.

Une copie du Space Pirate est produite et attaque le Japon. Dans cet épisode, le professeur Yan fait son apparition.

Dans cet épisode, Masato décède.

Un petit capteur est laissé sur le Shark Pirate pendant une bataille, permettant de localiser la base du Space Pirate. Durant la nuit, l’île d’Akane est envahie et le Space Pirate est capturé. Bacu, à bord du Red Dragon, effectue un attaque-suicide, empêchant le décollage du Pirate et permettant à Joe de reprendre le contrôle du vaisseau.

Plusieurs vaisseaux partent envahir l’île d’Akane. Le Space Pirate les affronte et les détruit, sauf le robot-bombe de Dógus, qui s’enfuit vers la base avancée. Une nouvelle bataille éclate et la base est détruite, Dógus meurt. L’équipage du Korushimaru est libéré, avec la complicité de soldats gailariens prévoyant une révolte contre Geldon.