“Z行动计划”
这时的蒋介石，也一改此前对苏联的重重戒心，转而积极谋求与苏联签订《中苏互助条约》，请苏联出兵参战。据当时赴苏联谈判的国民政府代表杨杰回忆，苏联方面也多次暗示在关键时刻会出兵援助。斯大林就曾很直接地告诉他：“如果日本取胜，苏联将出兵。”
然而苏联基于自身利益的考虑，最终拒绝了《中苏互助条约》。苏联当时最关注的是西线德国越来越严重的威胁，他们的东线战略是支援中国抗战，让中国拖住日本，以避免自己与日本的直接对抗。
苏联与中国签订了《中苏互不侵犯条约》，给予中国大量的秘密援助，从根本上说也是出于自身利益。即便这样，对中国来说也是难能可贵的，苏联是抗战之初第一个向中国提供援助的国家。
淞沪会战爆发的第二天，蒋介石就向苏联驻华大使递交军火供给协议的草案：要求苏联在一个月内向中国提供350架飞机、200辆坦克和236门大炮，同时还要向中国派遣苏联飞行员、航空技师、炮兵和坦克手，以训练中国军事人员。中苏之间很快达成了贷款和军火销售协定。苏联分三期向中国贷款2.5亿美元。
紧随其后，大批的苏联军事装备输往中国，滚滚铁流一直持续到1941年6月苏德战争爆发。这些武器包括：飞机1235架，坦克82辆，牵引车602辆，汽车1516辆，火炮1600门，轻重机枪14000挺，步枪5万支，子弹1.8亿发……
到1937年10月，中国空军的飞机已经在激战中损失殆尽。苏联援华的各种武器装备中，飞机无疑是最为急缺的，同时，飞机也是能够最快速地送到中国战场的。
二战中担任苏联红军工程兵部部长的卡利亚金，就是苏联援华抗战期间来到中国的一位高级军事顾问。他撰写的《沿着陌生的道路》，回顾了1939年奉调回国前的所见所闻。卡利亚金虽然不是空军，但对苏联援华情况有相对全面的掌握。他在回忆苏联援华武器装备的章节中，用很大篇幅叙述了苏联战斗机的优异性能，以及对日本飞机的各项优势。那个章节的标题翻译成中文是“苏联技术装备显神威”。这个颇为骄傲的口吻倒真不是自夸。
苏联把自己空军的当家机型给中国送来了。
苏联援华的战斗机主要是伊15（外号“黄莺”）和伊16（外号“燕子”）。这两种飞机是当时世界军机中的先进机型，各有过人之处。伊15是双翼机，飞行稳定，转向盘旋性能优异，缺点是飞行速度较慢。而伊16是单翼机，飞行速度快，俯冲、爬升性能出色，不足之处是操纵没有那么灵活。
面对它们的主要对手——日本的九六式，这两种战斗机分别在机动性和速度上大占优势，二者又刚好形成互补，在此后的空战中，苏联飞行员利用双机配合的战术，战果显著。
苏联为中国提供的轰炸机是图波列夫设计局的斯勃快速轰炸机（外号“喀秋莎”），它以轰炸机的面目出现，其速度甚至比日本九六式战斗机还要快，单凭速度就能摆脱日本飞机的追击。
不但是性能出众的先进飞机，苏联还同时派来了优秀的飞行员。
苏联国防部长伏罗希洛夫在1937年9月接到了命令，要求召集最好的志愿飞行员，向中国派送战斗机和轰炸机。名义上是“志愿飞行员”，实际上完全是以军事命令的形式抽调，这些飞行员来自苏联各地，多为经验比较丰富的飞行员，其中还有一些空军试飞员。
为避免刺激日本，苏联对中国的援助极为隐秘，甚至在苏联内部都采取了严格的保密措施。整个援助计划用“Z行动计划”代称。根据当时援华飞行员的回忆，第一批来华的飞行员接到调令时，甚至都不知道自己的目的地。有不少人猜测是前往正在进行内战的西班牙。因为他们的指挥员雷恰戈夫旅级（旅级是苏联高级军衔，相当于准将）、后来担任中国空军顾问的索尔上校等，都曾在1936年作为志愿飞行员到西班牙参战，是空军部队里鼎鼎大名的英雄人物。
第一批援华的战斗机首先在苏联境内的阿拉木图集中，然后飞往新疆，最后在兰州交付中国。在苏联境内，这些飞机上的苏联空军标志就被全部清除，机翼上刷上了青天白日机徽，连驾驶杆都改成了蓝白相间的国民党空军标志性涂装。
这是一条长达数千公里的超远航程，当时的战斗机航程一般不过数百公里，中国紧急在沿途开辟简易机场，为这些战斗机做中继。
时值隆冬，沿途经常遭遇狂风暴雪，气象条件恶劣，简易机场又难以满足安全降落的条件。第一个开辟这条航路的战斗机中队就损失了一架战机。而在1937年最后的两个月中，先后有20架援华战机在途中失事。1938年以后，苏联的战斗机就改为配件，和其他援华武器装备一样由陆路或是空中运输，到中国再组装起来。
而轰炸机航程远，直接从苏联的远东地区起飞，中途只需经停乌兰巴托一次，就能飞抵兰州。
兰州，是中国接收苏联援华武器和物资的中转站。
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