武汉会战前夕，日军在未发起地面攻击之前，便倚仗其空中优势，频频对武汉进行空袭、轰炸。为保卫武汉免遭袭击、轰炸，年轻的我国空军多次起飞，奋勇防空。空战就成了武汉会战全面打响的前奏。
那时候，日军航空兵用的飞机主要是 A5m 舰载战斗机，在速度还有火力方面，都比我军的 E-15 战斗机强大。尽管装备不行，可是我空军将士没有丝毫畏惧，众多英勇的大好青年钻进飞机，毅然决然地冲天向上保卫国家。
1938年2月18日，日军从南京、芜湖等地出动26架战斗机和12架轰炸机，沿长江一线向武汉进犯。我空军闻讯后，第4大队第22队的11架E-15式战斗机和第21队的10架E-16式战斗机迅速从汉口王家墩机场起飞迎战。随后，第23队的8架E-15式战斗机也从孝感机场起飞投入战斗。经过12分钟的激战，我战机击落日机14架，其余日机狼狈逃窜，未能进入武汉市区投弹。我军损失飞机4架。“二一八空战”成为武汉抗战时期的首次空中大捷。日军不光未能达成对武汉市区投弹轰炸的目的，反倒被打下了整整 14 架战机。
4月20号，我空军一架战机在湖北孝感试飞过程中发现一架日军飞机，果断将其击落，在检查敌机残骸时，发现了日军海航部队准备在4月29日，也就是日本天皇生日那天，出动大机群空袭汉口轰炸武汉，为其天皇寿辰献礼的秘密情报。
4月29日，日军为了以“空中大捷”向天长节献礼，出动了39架飞机飞向武汉。由于我空军部队事先从被击落的日侦察机获得有关情报，遂严阵以待，出动了2个大队64架战机实行拦击，并在战术上预作了安排。
由毛稼初和董明德率领19架E-15型战斗机，会同苏联飞行员图恩、别斯帕洛夫绷图斯等驾驶的45架战斗机占据了有利高度，奋起迎战。机群起飞后，以E-15式战机诱导日战机脱离轰炸机群，以E-16式战机痛歼日轰炸机，打了日军一个措手不及。得手后，我机群又联手攻击日战机。《新华日报》1938年4月30日第2版曾报道《武汉昨日壮烈空战，我击落敌机廿一架》：自武昌以至黄冈上空，漫天焰火，均属被我击坠之敌重轰炸机残骸。经过半小时激战，我空军击落日机21架，其中战斗机11架，轰炸机10架。打死日军飞行员50名，两名跳伞的飞行员被活捉。我军损失飞机11架。“四二九空战”不仅是武汉抗战期间，而且是全国8年抗战时期最激烈的一次空战。
此次空战中，我空军年仅22岁的飞行员陈怀民，在击落一架敌机后，座机不幸中弹起火情况下，他沉着地紧握操纵杆，扭转机身猛烈撞向一架敌机，致敌机机毁人亡，撞机后的陈怀民翻身出舱，因为降落伞被烈火燃烧，陈怀民从3000米高空坠落江中壮烈牺牲。
5月31日，日军集中驱逐机36架，轰炸机18架，空袭武汉。我国空军机队迅速采取包围攻势迎战，经过20多分钟的战斗。中苏联合空军以损失两架飞机的代价，共击落日机14架，给日本空军以沉重打击。此后，我国空军在苏联志愿飞行队的配合下，接连取得了“七一六”“八三”和“八一八”等空战的胜利。
中国空军除进行武汉空战外，还成功地进行了一次远征日本本土的飞行。
5月19日，空军第14队队长徐焕升、第19队副队长佟彦博，分驾2架携带着数以吨计的《告日本工人书》、《告日本各党政人士书》、《告日本人民书》、《告日本中小工商业人士书》传单的轰炸机从汉口起飞，经南昌、衢州，至宁波加油后跨海直飞日本本土。20日凌晨，在日本的长崎、福冈、久留米、佐贺及九洲各城市上空遍撒传单，并侦察了日本军港及机场情况。我国飞机远征日本使得“日本全国骚动，惊恐万分”，被认为“这是日本有史以来外国飞机进入其本土空前的奇迹。
武汉会战前夕的空战，引起了全国各界的深切关注，赢得了国内外的一致称誉。每一次空战之后，人们都热烈庆祝，并亲切慰问凯旋的空军将士。“二一八空战”后，武汉各界举行隆重的庆祝大会。我国飞机远征日本回归时，孔祥熙、何应钦、钱大均等军政要员亲自到机场迎接。为纪念在空战中殉国的空军将士，武汉各界两次举行隆重的公祭仪式，各级军政首脑亲临致祭。国外舆论则普遍称赞：中国最出色的部队是空军。
抗日战争初期，中苏空军联合作战，发挥了的重要作用。据何应钦在《八年抗战之经过》和陈诚在《八年抗战经过概要》两书中附表之统计，抗战第初期我国空军作战次数计达627次，合计毁伤日机411架，毁伤日舰艇175艘，其中，日轻型航母“龙骧”号被我空军第2大队轰炸。相比较于我国空军的弱小实力而言，上述战果堪称中华民族在抗战战场上所创造的奇迹。
1938年至1941年6月10日，我国空军的抗战实以苏联援华航空志愿队的战力为支撑。太平洋战争爆发后，我国战场的空中作战以美利坚空军为主体，其后，我国空军战力得以逐渐恢复实力，并获取较大发展，竭尽全力，配合、支持美空军作战，直至抗战胜利。
从1937年8月20日武汉市首次鸣放防空警报，到1938年10月25日武汉沦陷，日军70多次出动飞机，对武汉城区进行了轮番轰炸，对武汉犯下不可饶恕的罪行。据《武汉市志》记载，这1年零2个月时间里，日军共投弹3080枚，炸死1651人、伤3147人，炸毁房屋3437栋。
同胞受难，山河破碎，国难降临。中国的蓝天岂容他人横行？日军的连番轰炸没有折断国人气节、压弯国人脊梁。一曲民族壮歌唱响——武汉会战，这是抗战爆发以来一场最大规模的战役，历时4个月之久。空中鏖战、捉对厮杀、呼啸声甚急；地面刀枪交错之声，不断鸣响；普通百姓竭尽所能踊跃献金，场面感人。国民与战士们同仇敌忾，抱着与武汉共存亡的决心与敌人战斗。
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