“Z行動計劃”
這時的蔣介石，也一改此前對蘇聯的重重戒心，轉而積極謀求與蘇聯簽訂《中蘇互助條約》，請蘇聯出兵參戰。據當時赴蘇聯談判的國民政府代表楊杰回憶，蘇聯方面也多次暗示在關鍵時刻會出兵援助。斯大林就曾很直接地告訴他：“如果日本取勝，蘇聯將出兵。”
然而蘇聯基於自身利益的考慮，最終拒絕了《中蘇互助條約》。蘇聯當時最關注的是西線德國越來越嚴重的威脅，他們的東線戰略是支援中國抗戰，讓中國拖住日本，以避免自己與日本的直接對抗。
蘇聯與中國簽訂了《中蘇互不侵犯條約》，給予中國大量的秘密援助，從根本上說也是出於自身利益。即便這樣，對中國來說也是難能可貴的，蘇聯是抗戰之初第一個向中國提供援助的國家。
淞滬會戰爆發的第二天，蔣介石就向蘇聯駐華大使遞交軍火供給協議的草案：要求蘇聯在一個月內向中國提供350架飛機、200輛坦克和236門大炮，同時還要向中國派遣蘇聯飛行員、航空技師、炮兵和坦克手，以訓練中國軍事人員。中蘇之間很快達成了貸款和軍火銷售協定。蘇聯分三期向中國貸款2.5億美元。
緊隨其后，大批的蘇聯軍事裝備輸往中國，滾滾鐵流一直持續到1941年6月蘇德戰爭爆發。這些武器包括：飛機1235架，坦克82輛，牽引車602輛，汽車1516輛，火炮1600門，輕重機槍14000挺，步槍5萬支，子彈1.8億發……
到1937年10月，中國空軍的飛機已經在激戰中損失殆盡。蘇聯援華的各種武器裝備中，飛機無疑是最為急缺的，同時，飛機也是能夠最快速地送到中國戰場的。
二戰中擔任蘇聯紅軍工程兵部部長的卡利亞金，就是蘇聯援華抗戰期間來到中國的一位高級軍事顧問。他撰寫的《沿著陌生的道路》，回顧了1939年奉調回國前的所見所聞。卡利亞金雖然不是空軍，但對蘇聯援華情況有相對全面的掌握。他在回憶蘇聯援華武器裝備的章節中，用很大篇幅敘述了蘇聯戰斗機的優異性能，以及對日本飛機的各項優勢。那個章節的標題翻譯成中文是“蘇聯技術裝備顯神威”。這個頗為驕傲的口吻倒真不是自夸。
蘇聯把自己空軍的當家機型給中國送來了。
蘇聯援華的戰斗機主要是伊15（外號“黃鶯”）和伊16（外號“燕子”）。這兩種飛機是當時世界軍機中的先進機型，各有過人之處。伊15是雙翼機，飛行穩定，轉向盤旋性能優異，缺點是飛行速度較慢。而伊16是單翼機，飛行速度快，俯沖、爬升性能出色，不足之處是操縱沒有那麼靈活。
面對它們的主要對手——日本的九六式，這兩種戰斗機分別在機動性和速度上大佔優勢，二者又剛好形成互補，在此后的空戰中，蘇聯飛行員利用雙機配合的戰術，戰果顯著。
蘇聯為中國提供的轟炸機是圖波列夫設計局的斯勃快速轟炸機（外號“喀秋莎”），它以轟炸機的面目出現，其速度甚至比日本九六式戰斗機還要快，單憑速度就能擺脫日本飛機的追擊。
不但是性能出眾的先進飛機，蘇聯還同時派來了優秀的飛行員。
蘇聯國防部長伏羅希洛夫在1937年9月接到了命令，要求召集最好的志願飛行員，向中國派送戰斗機和轟炸機。名義上是“志願飛行員”，實際上完全是以軍事命令的形式抽調，這些飛行員來自蘇聯各地，多為經驗比較豐富的飛行員，其中還有一些空軍試飛員。
為避免刺激日本，蘇聯對中國的援助極為隱秘，甚至在蘇聯內部都採取了嚴格的保密措施。整個援助計劃用“Z行動計劃”代稱。根據當時援華飛行員的回憶，第一批來華的飛行員接到調令時，甚至都不知道自己的目的地。有不少人猜測是前往正在進行內戰的西班牙。因為他們的指揮員雷恰戈夫旅級（旅級是蘇聯高級軍銜，相當於准將）、后來擔任中國空軍顧問的索爾上校等，都曾在1936年作為志願飛行員到西班牙參戰，是空軍部隊裡鼎鼎大名的英雄人物。
第一批援華的戰斗機首先在蘇聯境內的阿拉木圖集中，然后飛往新疆，最后在蘭州交付中國。在蘇聯境內，這些飛機上的蘇聯空軍標志就被全部清除，機翼上刷上了青天白日機徽，連駕駛杆都改成了藍白相間的國民黨空軍標志性涂裝。
這是一條長達數千公裡的超遠航程，當時的戰斗機航程一般不過數百公裡，中國緊急在沿途開辟簡易機場，為這些戰斗機做中繼。
時值隆冬，沿途經常遭遇狂風暴雪，氣象條件惡劣，簡易機場又難以滿足安全降落的條件。第一個開辟這條航路的戰斗機中隊就損失了一架戰機。而在1937年最后的兩個月中，先后有20架援華戰機在途中失事。1938年以后，蘇聯的戰斗機就改為配件，和其他援華武器裝備一樣由陸路或是空中運輸，到中國再組裝起來。
而轟炸機航程遠，直接從蘇聯的遠東地區起飛，中途隻需經停烏蘭巴托一次，就能飛抵蘭州。
蘭州，是中國接收蘇聯援華武器和物資的中轉站。
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