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为了避免德军掌握苏军的进攻规律，苏军将进攻发平时间改为傍晚。６月８日天黑前，苏军发起首次攻击。由于德军防空力量已处于高度戒备状态，因而苏军加强了突击编队的掩护兵力，每个突击编队中歼击机兵力都在６０％以上。６月８日，苏军击毁击伤了１４１架德军飞机，６月９日击毁击伤了９２架，６月１０日击毁击伤了１６架。在这次空中战役过程中，苏军共出动飞机３３６０架次，击毁德军机场上的飞机１６８架，在空战中击落德军飞机８１架，苏军损失各种飞机１０６架。
经过５月和６月两次空中战役，苏军沉重打击了德军航空兵力量，改善了空中斗争态势，为在库尔斯克会战中夺取战役制空权，以及夺取整个苏德战场的战略制空权创造了良好条件。
在对德军机场实施突击的同时，苏军航空兵还抗击了德军对苏军机场和铁路设施的袭击。６月２日，在抗击德军对库尔斯克铁路枢纽的密集袭击时进行了特大规模的空战。这天，德军轰炸机在战斗机的掩护下分几批飞向库尔斯克城。苏军３８６架歼击机升空截击。在迎击德军编有轰炸机１３７架、战斗机３０架的第１梯队的战斗中，苏军击落敌轰炸机５８架。然而，苏军同德军后续机群的战斗进行得不太顺利，德军的２８７架轰炸机中约有１６０架突进了库尔斯克，它们的轰炸使铁路枢纽运输中断１２小时。但在这天的袭击中，德军共损失飞机１４５架。
在库尔斯克会战准备过程中，苏军航空兵特别注意了破坏敌铁路和公路运输，宽大正面和距前线２００…２５０公里纵深的敌主要交通线在３个月的时间里几乎一直遭到苏军航空兵的突击。苏联空军对集中地域的德军部队司令部、通信枢纽和仓库也采取了行动。５月初，５０架佩－２轰炸机组成的编队对布拉索沃车站和洛科季新村的突击炸毁了一座大弹药库，消灭许多坦克和装甲车，还炸毁一列刚装满军用物资的列车。
可见，库尔斯克会战前夕的〃战略间隙〃完全是相对而言的，苏军在实施大规模的空中战役和其他空中作战行动中，共消灭德军飞机上千架，可谓战绩辉煌。
感谢空中的支援
７月５日晨，德骑的进攻开始了。这对于苏军来说并不突然。苏军经过对德军的详细周密的侦察和对所抓俘虏的审讯，在德军发起进攻之前不仅判明了敌进攻的日期，而且判明了敌开始进攻的时刻是在凌晨３点３０分。因此，苏联陆空军都做好了充分的战斗准备。７月５日拂晓，根据苏联元帅朱可夫的指示，中央方面军和沃罗涅日方面军在德军炮火准备开始前５分钟进行了强大的炮火反准备。空军第２和第１７集团军所属兵团使用４１７架强击机和歼击机对德军７个机场进行了突击，消灭了机场上的６０架敌机。德军的进攻时间不得不推迟了两个小时，在早晨５点３０分才发起了进攻。
随着德军进攻的开始，激烈的空战也同时展开。德军航空兵在苏军５月和６月空中战役中受到沉重打击，兵力不足，无力夺取整个作战地区的制空权，便将轰炸航空兵和歼击航空兵的所有力量都集中于坦克部队和摩托化部队突破防御的地段。７月５日，战场上空竟同时有德军３００余架轰炸机和１００余架歼击机在活动。因而苏联空军战斗行动的规模比莫斯科和斯大林格勒防御战时也要大得多。
在中央方面军地带内，德军从奥廖尔登陆场以主力向奥利霍瓦特卡发起突击，同时对马洛阿尔汉格利斯克和格尼列兹实施辅助突击。德军在奥廖尔…库尔斯克方向上的突击集团由第６航空队负责空中支援。第６航空队把全部兵力都集中在宽２５…３０公里，纵深不超过１０…１５公里的战场上空，全力支援平地面部队突击苏军阵地。每次袭击都有１００…１５０架轰炸机参加，由近６０架战斗机掩护。
首先挡住德军第６航空队轰炸机去路的是苏联空军第１６集团军所属歼击航空兵第６军和近卫歼击航空兵第１师的飞行员们。德军的飞机一出现在前线上空，他们便立即升空作战。当确实查明德军主力准备进攻奥利霍瓦特卡时，苏军的轰炸机和强击机即全天以小编队活动，突击德军的坦克、火炮和有生力量。
随着空军第１６集团军的基本兵力投入战斗，航空兵的活动强度大大增加了。轰炸航空兵第３军、航空兵混成第６军、近卫强击航空兵第２师和强击航空兵第２９９师的飞行员们以６…８架飞机组成的编队突击了战场上和雅斯纳雅波梁纳、奥泽罗克、阿尔汉格里斯克地域的德军坦克和步兵。在７月５日这一天，苏军强击机首次使用了新式反坦克聚能炸弹，这种炸弹重１．５…２．５公斤，能烧穿德军〃虎〃式和〃豹〃式新式坦克。由于使用这种炸弹，仅强击航空兵第２９１师的飞行员于一天之内就在沃罗涅日附近摧毁了３０辆德军坦克。原德坦克第４８军参谋长梅伦将军后来写道：〃许多坦克成了苏空军的牺牲起，俄国飞行员表现得特别勇敢。〃
战役第１天，苏德航空兵的对抗是非常激烈的。苏军歼击机飞行员为掩护战场上的部队，英勇地抗击了德国航空兵的袭击。这一天编队空战进行了７６次，击落德军飞机１０６架，苏军损失飞机９８架。空战中，近卫歼击航空兵第１师的科列斯尼琴科中尉表现了勇敢的精神和高超的战斗技能，他在会战的第１天就消灭了３架敌机。波利亚科夫少尉表现也很突出，他用枪炮火力消灭了１架敌机，又用自己的飞机撞落了第２架敌机。
在空军的有效支援下，苏军地面部队顺利地抗击了敌人的冲击。到７月５日夜，德军仅在奥利霍瓦特卡方向插入苏军防御６…８公里。
然而，防御战役第１天的情况也表明：苏联空军为压制和消灭大量目标分散了自己的兵力。歼击机飞行员也暴露出一些缺点：他们迷恋于同敌战斗机作战，有时竟把敌轰炸机置之于不顾。关于德轰炸机接近的情况，报告得不够准确。有些歼击机巡逻队只在己方上空值班待命，没有按高度作梯次配置。这样只能通过不间断的空中巡逻来掩护地面部队，还造成了兵力的大量消耗。
在战役的第２天，苏军为了恢复原来的态势并消灭插入防御之敌，进行了反突击。空军第１６集团军决定于７月６日清晨５时以１４０架飞机对敌军主要集团实施集中突击。拂晓，侦察机查明了德军坦克、摩托化步兵和炮兵集结地域，轰炸机和强击机立即升空作战。它们使用反坦克炸弹、杀伤弹和爆破弹实施突击。苏军地面部队看到德军十几辆坦克被炸毁后，便喊着〃乌拉〃冲向敌阵。
７月６日，苏军航空兵克服了第１天作战中存在的缺点。歼击航空兵第６军军长和近卫歼击航空兵第１师师长都亲临设在前沿附近苏军反突击地段上的前进指挥所，组织指挥歼击机作战。他们注意监视空中情况，必要时用机场值班分队来加强歼击机巡逻队。巡逻空域跨过了前线，因此德军飞机常常还未到达战场便遭到截击。
德军航空兵遇到顽强的抵抗，其攻势严重受挫。而苏军航空兵却不断加强突击，这一天出动架次比７月５日多了１倍，在９２次空战中消灭德机１１３架。
从７月７日开始，苏军牢牢地掌握了空中主动权，大部分德军轰炸机还未开到战场即遭到了拦截。
７月７日至８日，德军在奥廖尔登陆场增调了兵力后，曾试图经过波内里突入库尔斯克，但告失败。到了１０日，德军在奥廖尔…库尔斯克方向上的进攻能力已经枯竭，不得不转入了防御。
在奥廖尔…库尔斯克方向防御战役期间，苏空军第１６集团军出动飞机７６００架次，远程航空兵出动８００架次，共消灭德军飞机５１７架，有力地支援了地面部队粉碎德军进攻的行动。
苏军地面部队对航空兵的作战给予很高评价。防守在主要方向上的中央方面军第１３集团军在报告中写道：〃请向空军第１６集团军全体人员转达我们地面部队的衷心感谢，感谢他们从空中给我们的积极支援。第１３集团军的战士们都怀着亲切爱戴的心情赞扬自己的战友从空中实施的成功突击。〃
〃堡垒〃计划的彻底破产
德军对沃罗涅日方面军的进攻也是于７月５日晨开始的，这路突击集团由第４航空队担任支援。首先在奥博扬方向上展开了激烈的战斗。德军集中了近７００辆坦克以及步兵和炮兵的主要兵力，在这里实施主要突击，企图直插库尔斯克。同时还以部分兵力进攻科罗恰，目的是把苏军兵力吸引到次要方向。
根据德军的进攻态势，沃罗涅日方面军将其所属空军第２集团军的几乎所有兵力都集中到了奥博扬一线，而对科罗恰方向地面部队的支援任务则交由空军第１７集团军完成。
德军进攻刚一开始，在别尔哥罗德…库尔斯克方向便发生了争夺制空权的激战。在纵横１２００平方公里地区的上空，同时有双方的２０００多架飞机在活动。一次参战的飞机常常多达１００至１５０架。７月５日至１０日，仅苏联空军第２集团军的歼击机就进行了２０５次空战，击落德军飞机３３０架，苏军损失１５３架。加卢诺夫将军指挥的近卫歼击航空兵第８师的飞行员在战斗中表现特别突出，他们第１天就击落敌机７６架。
在激战的日子里，苏联飞行员表现了对自己祖国的无限热爱，表现出了勇敢无畏的英雄气概和高超的战斗技能。中队长戈罗韦茨上尉是苏联飞行员中的突出代表。７月６日，他完成战斗任务