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在地面上的坦克大戰進行得空前激烈時，空中的大戰也打得天昏地暗。
日本實施大規模飛機集羣轟炸後，制空權一度被日軍掌握，但東北軍很快扭轉了局勢。東北軍把速度高於日軍戰鬥機而機動性稍差的“雲雀”式戰鬥機與速度低於日軍飛機而機動性更強的“雨燕”式戰鬥機編組在一起，並將速度與火力都超過日本飛機的“披毛犀”式新型戰鬥機及新式的“快刀”中型轟炸機投入戰場上空。
9月7日，在雙方地面戰爭接近尾聲時，空戰正進入高潮。
駐東西伯利亞的日本陸軍航空兵部隊是第2飛行軍團，飛行軍團由兩個以上的飛行團構成，飛行團下屬編制爲飛行戰隊。由於飛行團專門擔任制空或者是對地攻擊任務，其編制時常根據戰況發生改變，但飛行軍團一般會下轄10個飛行戰隊，每個飛行戰隊後來被分爲3個飛行中隊。由於日本陸軍航空兵的編制極爲混亂，如飛行戰隊這個編制，是1938年才從飛行大隊和連隊改編而來。而飛行軍團編制也是1939年纔出現，第2飛行軍團是在1939年3月與本土的第1飛行軍團一起編成，1942年4月就被改編爲第2飛行師團，其下轄的各戰隊始終是變幻莫測。桑葉河戰役前第2飛行軍團手裏有兩個飛行團，負責制空任務的第12飛行團擁有4個使用戰鬥機的飛行戰隊，第1飛行戰隊、第64飛行戰隊和第11飛行戰隊共裝備88架先進的“烈風”，而使用較爲落後的“零”式的第24飛行戰隊雖然在紙面實力上也擁有幾十架戰鬥機，但日本方面卻很有自知之明，沒有將這些飛機送給中國人做點心。
日本的飛行中隊裝備戰鬥機時標準配置爲10架，實際爲8至12架，使用轟炸機或者觀測機時則只配備6架，實際一般不會多於8架，也不會少於4架。
除了戰鬥機之外，第2飛行軍團還裝備了24架輕型轟炸機（輕爆）和13架重型轟炸機（重爆），全部屬於第9飛行團。與戰鬥機部隊相比，轟炸機飛行隊的來源更爲繁雜，比如13架重爆，就包含第12飛行戰隊的兩個飛行中隊。
1940年的日本陸軍航空兵已經不再是嗷嗷待哺的“雛鷲”，開始將貪婪的眼睛盯上西面的中國東北軍空軍，後者在和蘇聯的歷次武裝衝突中表現極爲活躍，給日軍造成了巨大困擾。雖然中日兩國的航空水平都屬於世界一流，但是中國的工業化和大規模生產做的較好，人力資源也更爲豐富，日本陸軍航空兵本部認爲與東北軍拼消耗是不明智的，因此決定通過將航空部隊與基地分離的方式增強航空部隊的機動性，依靠快速前線機場展開，攻東北軍不備，這種偷襲戰術與德國閃電戰在航空力量方面的使用設想不謀而合。爲了使航空部隊不再拴在各自的機場上，從1937年開始，也就是昭和12年，日本陸軍航空兵開始在中日對峙的前線東西伯利亞和日本本土組建擁有獨立支援地勤甚至是機場高射炮部隊，能夠脫離機場獨立機動作戰的飛行戰隊。各飛行戰隊手中的日常地勤維護和擁有大修能力的野戰工廠以及機場地面防禦部隊都被統一編爲“飛機場大隊”。
至此日本陸軍航空兵總算擁有了快速前沿展開的能力，但是其飛行戰隊編制仍然過於臃腫，在太平洋戰場上，日本陸軍航空兵又發展出更爲激動靈活的飛行師團，和能夠與地面緊密協同，編制比一般飛行中隊稍大的“獨立飛行中隊”，兩個獨立飛行中隊就可以構成一個“獨立飛行隊”。當然這種靈活編制並非憑空出現，其濫觴就是在東西伯利亞和中國戰場多次出現過的“獨立飛行大隊”。
