抗戰進行到1937年10月底的時候，中國空軍幾乎消耗殆盡，基本上已經無力阻止日本飛機對中國城市的狂轟濫炸。在日本宣布封鎖中國海岸後，無論出於什麼目的，蘇聯空軍的支援對於孤立無援的中國軍民來說，無疑是雪中送炭。據統計，從1937年10月到1941年底，共4年2個月的時間，蘇聯以空軍志願隊名義，總共派遣了3665人參加中國抗戰，其中包括1091名飛行員以及 2000餘名機械師、工程師等各類航空輔助人員。截至1939年12月，蘇聯空軍志願隊為主力的中國空軍，擊落、炸毀敵機986架，毀傷日軍艦船120餘艘。

蘇聯空軍志願隊部分援華顧問

伊-15、伊-16的「雙機空戰」

南京淪陷後，國民政府被迫遷都重慶，但是國民黨政府軍事委員會和一些機關仍然留在武漢。日軍佔領南京之後，就擬制了進一步溯長江西進，攻佔武漢三鎮的作戰計劃。中、蘇空軍並肩作戰，給予日軍迎頭痛擊，打了不少漂亮仗。

直到 1938 年初，蘇聯志願飛行員都是獨立作戰。中國飛行員在設於新疆伊犁艾林巴克航校、蘭州、成都和另外的飛行學校中受到培訓後，中蘇軍方開始嘗試混編作戰。為了能有效地對抗日機轟炸，國民政府決定中國飛行員加入蘇聯志願飛行大隊一同作戰，同時也有讓中國指揮員領導蘇中混合轟炸機飛行員編組的意圖。從這時起中國空軍和蘇聯志願航空隊開始駕駛蘇制殲擊機並肩戰鬥，在南昌中蘇聯合重組第四空軍大隊，這為中國空軍的迅速成長創造了條件和鍛煉學習的機會。

1938年2月18日，日軍開始對武漢進行大規模的空中襲擊。中午12時許，日本海軍12架轟炸機，在26架新型戰鬥機的掩護下，分別從南京、蕪湖兩地機場起飛，在安徽和江西的交界處會合後，擺著長蛇陣直撲武漢。很快日軍來襲的消息迅速傳至設在漢口機場的中國空軍第四大隊指揮所，19架伊-15和10架伊-16驅逐機分別從漢口、孝感機場升空攔截。這是中蘇混編作戰後的第一次空戰嘗試。起飛後，蘇聯飛行員看到地面情報指出的日軍襲擊的方向，飛了10分鐘來了一個180度的大轉彎，很快就發現在低於自己1500米―2000米的高度上有3個日本轟炸機密集編隊。幾乎同時，在雲上的日本殲擊機也出現了。發現蘇聯飛機後，日本殲擊機俯衝下來。此時日機居高臨下，掌握了主動權。蘇聯飛行員杜申遭到3架日本九六式艦載戰鬥機的攻擊。但他並不示弱，輪番向3架日本飛機射擊，打穿了一架敵機，但飛機並沒有起火。兩架日本殲擊機夾擊杜申。危急之時，布拉戈維申斯基駕駛的伊-16趕來救助，兩人將伊-15和伊-16機配合的優勢發揮得淋漓盡致。

據第四大隊飛行員龔業悌回憶：「伊-15戰鬥機的特性是轉彎很靈活，所以就利用這種靈活的特性和日機纏鬥。原以為日本的九六式戰鬥機也很靈活，但遇到伊-15後才發現，它的機動性不如伊-15。這場空戰中，被擊落的12架日軍飛機，差不多都是伊-15擊落的。伊-16的任務在更高空待命，一有機會就下去打。例如敵機被伊-15纏鬥一陣已經沒油，準備撤退，伊-16就負責追擊，伊-16的速度追上九六式是綽綽有餘的。」古邊科將這種戰術稱之為「雙機空戰」，有時也先派出伊-16追擊和攔截敵機，等伊-15趕到與敵機進行纏鬥。

空戰歷時12分鐘，第四大隊擊落日機12架。日本空襲編隊指揮官金子隆司被擊落身亡。中國空軍損失5架，大隊長李桂丹在掩護隊友攻擊日機時，不幸被一架從後面飛過來的日機擊中，當場陣亡。當日，中隊長呂基淳和飛行員巴清正、王怡、李鵬翔4人也血灑長空。

遠襲台灣

1938年2月23日，是蘇聯紅軍建軍20周年。為了以實際行動慶祝節日，中、蘇空中勇士決定奔襲台灣，目標是摧毀日本海軍台北松山機場。出擊任務由蘇聯志願航空隊指揮官雷恰戈夫負責，分為兩個編隊：一隊為駐在南昌的12架轟炸機，是中蘇混合編隊;另一隊為駐在漢口的25架轟炸機，全由蘇聯飛行員斯柳薩列夫領隊。兩個編隊的飛機均為CB式中程轟炸機。

南昌編隊因領航員計算誤差，偏離預定航向，被迫在福州機場降落後返回。漢口編隊在大隊長皮雷寧大尉指揮下，採用節省燃料的5500米高度直線飛行。當時機上沒有供氧設備，飛行員以極大的毅力克服缺氧的生理反應。到達台灣海峽，機群降至2000米高度，飛行員們才得以喘息。逼近台北，機群又拉到4000米高空。

為了迷惑敵人，機群先向台灣以北方向飛行，隨後急速轉彎，降低高度，直逼松山機場。日軍根本未料到松山機場會遭到空襲，毫無防備。既無驅逐機升空攔截，也無高射炮火阻擋，編隊在皮雷寧帶領下，共投彈280枚，松山機場瞬間被淹沒在火海當中。此次出擊共炸毀敵機40餘架、營房10棟、機庫3座，還焚毀了可使用3年的航空油料及其他裝備，使松山機場陷於癱瘓。

次日晚，宋美齡以航空委員會秘書長的身份舉行盛大宴會，為奇襲松山機場的蘇聯志願航空隊慶功。這次勝利在日本國內引起很大恐慌，日本政府免除台灣相關行政主管，並將松山機場基地主任撤職，交送軍事法庭。斯柳薩列夫將軍在他的回憶中這樣寫道：「我們襲擊了上海、杭州和台灣的機場和軍運碼頭以後，日本人在一段時間內沒有出現在中國天空。不過後來他們顯然是想進行報復，派了9架轟炸機，並由18架戰鬥機護航，想摧毀駐有我們戰鬥機和轟炸機的南昌機場。但是蘇聯戰鬥機粉碎了敵人的空襲，消滅6架敵機。」

這次空戰是在南昌市民的眼前發生的，「當時南昌市民歡天喜地的情景至今令我記憶猶新……當天空中航天發動機的聲音消失以後，市民們深懷謝意來到我們機場，給蘇聯飛行員送來許多筐橘子和蘋果。」