1964年10月16日，中國成功地在羅布泊爆炸了第一顆原子彈。這說明用不了多久，中國就可把氫彈製造出來。為查清這個問題，美方決定派U-2飛機對蘭州、包頭進行重點偵察，並在U-2飛機上增加兩項設備；一是紅外線照相設備，可在夜間實施紅外照相；二是加裝了“13號係統”,采用“角度欺騙回答式\"幹擾，當它收到我製導雷達訊號後，即放出U-2飛機的假訊號，由於製導雷達跟蹤的是假訊號，發射的導彈不可能擊中真目標。
1964年11月26日，一架U-2飛機夜間竄犯蘭州上空。當該機鑽進火力範圍，二營立即使用“反電子預警1號”和“近快戰法”,距U-2飛機33.5公裏時發射3發導彈。由於敵機使用“13號係統”,地麵製導雷達跟蹤的是假訊號，沒有命中目標。U-2飛機趁機返航。針對U-2飛機“13號係統”的功能，劉亞樓指示空軍研製“反電子預警2號”。地空導彈各營針對U-2飛機夜間活動規律和特點，進行了多次演練。
1965年1月10日18時，台北桃園機場，身著高壓服的蔣軍飛行員張立義，在別人的幫助下，進了3512號U-2飛機的座艙。飛機迅速起飛。出發前隊長告訴他：這架飛機上裝著美國先進的反地空導彈的電子預警裝置，你隻要按動一個電鈕，就放出強烈的電子幹擾，使導彈偏離正確軌道。所以他充滿了安全感。
19時56分，飛機從山東海陽入陸，高度2萬米，經黃驊、大同飛向包頭。隱蔽設伏在包頭的我地空導彈第一營，當天下午就做好了戰鬥準備。當張立義飛機接近包頭、準備使用紅外相機照相時，一營使用“反電子預警2號”,使U-2飛機上的“12號係統”完全失靈。緊接著3發導彈升空。張立義來不及使用“13號係統”,飛機就被導彈擊毀。張立義糊裏糊塗地跳傘被擒。這是地空導彈部隊第一次夜間擊落U-2飛機。這次戰鬥繳獲了一整套裝在機上的“13號係統”——電子幹擾裝置。
1967年9月8日上午，“黑貓中隊”飛行員黃榮北上尉，駕駛U-2飛機偵察滬杭地區。隱蔽設伏在嘉興機場的地空導彈第十四營，首次使用中國自製的“紅旗”2號地空導彈和新的反電子幹擾裝置，徹底破解了對方的“回答式”幹擾，將U-2飛機擊毀。黃榮北死於座艙。飛機殘骸落於海寧縣西南5公裏的星光村。
至此，中國空軍地空導彈部隊用現代化的兵器，開展遊擊戰，擊落了敵5架U-2高空間諜飛機。
陪毛澤東乘坐飛機
建國初期，為了保證毛澤東的人身安全，中央做了一條不公開的規定，禁止毛澤東坐飛機。毛澤東看到劉少奇、周恩來、朱德等外出，都是雲裏來霧裏去，羨慕之餘，心裏也癢癢的。1956年4月的一個夜裏，劉亞樓突然接到毛澤東親自打來的電話，說他要去廣州，叫劉亞樓準備好飛機。
劉亞樓知道中央不讓毛澤東坐飛機的不成文規定，便以人民空軍組建不久，駕駛員水平不高，萬一出了事故，無法向全黨全軍全國各族人民交代為由，堅決不同意。但毛澤東仍然堅持要坐飛機。劉亞樓不好拒絕，立刻稟報了周恩來總理。周恩來見毛澤東態度很堅決，也不好反對，就親自安排，指示劉亞樓要選擇最保險的機型、最優秀的駕駛員，各個環節嚴格操作，確保飛行安全。
當時，空軍隻有伊爾14和裏2型運輸機。劉亞樓考慮到裏2型飛機飛行了五六年，穩定性比較好，最後確定使用裏2型飛機。劉亞樓又從眾多飛行員人選中挑出胡萍。胡萍在陸軍當過團長，到空軍後任飛行團團長，曾多次擔任過接送中央首長的任務，駕駛技術好。
5月2日晚，胡萍給機組下達飛行任務時，出於保密的要求，隻簡單地告訴大家：航線由北京經武漢，降落終點是廣州的白雲機場。機組人員也不知道是誰要用飛機。5月3日上午，劉亞樓和政委吳法憲來到機場。不一會兒，胡萍招呼機組人員：“都過來集合，請司令員下達飛行任務。”
劉亞樓情緒激昂：“同誌們!今天坐飛機的是毛主席!這是我們空軍的光榮，也是你們的光榮……”站在他麵前的機組人員不過6個人，但劉亞樓依舊聲音洪亮，似乎麵對的是千軍萬馬。
“中央的同誌曾考慮請毛主席坐外國的飛機，請外國人來我們中國的天上飛，可是毛主席不同意!主席說了：外國人駕駛的飛機我不坐，我就是要坐咱們中國人駕駛的飛機!這是毛主席對我們空軍最大的信任。但是，我們肩上的責任也非常的重大。你們一定要拿出全部的本事，盡最大的力量，用最高的責任心，保證完成好這次光榮而又重大的任務。”
劉亞樓講完話，便徑直上了飛機。機組人員彼此未來得及表達內心的感情，就跟在他的後麵到了機艙裏。對飛機上所有該檢查的地方都檢查以後，劉亞樓還是不放心，他再次囑咐道：“這可是毛主席第一次坐我們空軍的飛機，你們千萬要謹慎小心，冷靜沉著，不要緊張。”
不一會兒，毛澤東來了。他首先仰頭觀望飛機。劉亞樓馬上跑到前麵，向他報告這架飛機的基本情況。“主席，這是一架蘇聯製造的裏2型飛機，這種飛機安全性很好，起飛、平飛都比較穩。這架飛機機號是8205號，已經飛行5年多了。飛行狀況很好。主席，請您上飛機吧。”
毛澤東走到機組人員前，同他們一一握手，並詢問了每一個人的姓名、年齡，很高興地說：“你們都很年輕啊!”
“主席，飛機經過試飛、檢查都良好，航線上一律都是晴空，是個難得的好天氣。我們是不是可以走了呢?”劉亞樓再次請主席上飛機。毛澤東沒有說話，點了點頭，再次把飛機巡視了一遍，然後大步走向飛機。
“我們就坐在這裏上天去，那就飛吧!”毛澤東滿麵春風，下達了開飛的“命令”。目睹藍天白雲，毛澤東毫無倦意，不時問劉亞樓培養一名飛行員需要多少時間，飛專機的飛行員與飛戰鬥機的飛行員有什麼不同，等等。劉亞樓邊用手比畫，邊向毛澤東一一做了回答。
由於空中氣流的湧動，飛機偶爾略有顛簸，搞得人們都很緊張。劉亞樓等馬上走上來勸主席上床休息一下。毛澤東搖搖頭，風趣地說：“沒關係，你沒感覺到小孩坐搖籃的味道嗎?”這一玩笑，頓時使大家感到輕鬆了許多。
經過4個半小時的空中飛行，飛機於12點30分降落在武昌南湖機場。步出機艙，毛澤東對劉亞樓說：“還是飛機這東西好，飛得快，我們就要有自己的飛機才行。”當天下午，專機從南湖機場起飛，經過3個半小時的航行，到達廣州白雲機場已是下午6時。
5月29日，毛澤東結束了對廣州的巡視。劉亞樓命令分管專機工作的空軍副參謀長何廷一率領3架裏2型飛機去廣州接毛澤東一行回京。5月30日，飛機由廣州飛長沙，再由長沙飛武漢。由於北京天氣不好，在武漢停留了4天。6月4日上午，空軍司令部氣象處來電話說：“北京天氣已好轉，你們爭取下午5點鍾之前到達北京西郊機場。”中午12點多鍾，何廷一乘飛機在最前麵觀察天氣。毛澤東、羅瑞卿、楊尚昆等領導乘第二架飛機，其他工作人員乘第三架飛機，三機每隔15分鍾起飛一班。
當飛到河北上空時，何廷一非常震驚，隻見西麵和北麵電閃雷鳴，雷雨雲層可達1.5萬米到2萬米。而裏2型飛機時速慢，升高極限也隻有4000米，無法從雲頂飛越。飛機如若遭遇雷電襲擊，就有可能機毀人亡。更嚴重的是，由於強大雷電的幹擾，使飛機上無線電通訊完全失靈，何廷一與後麵的飛機失去了聯係。
天氣惡化，情況突變，在北京機場塔台坐鎮指揮的劉亞樓心急如焚。
機場上有幾位迎接毛澤東的有關人員，他們開始還相互交談，興趣盎然，有的悠閑地開著玩笑。隨著飛機著陸時間一分一秒地延遲，人群逐漸沉靜，空氣都似乎凝固了。他們之中有的不停頓地抬腕看表，有的雙目茫然地遙望南麵的天際，有的搓著雙手來回踱步。
當何廷一的飛機穿出雲層降落後，劉亞樓急忙向他詢問情況。獲悉氣象情況後，劉亞樓嚇出了一身冷汗。負責與飛機聯絡的塔台指揮員蔡演威更是急得大汗淋漓，他對著無線電話筒喊啞了嗓子，也沒聽到空中飛機的一絲回音。
劉亞樓急了，對著蔡演威吼道：“你一定要聯絡上!”
他們在焦急中熬過了近一個小時。終於，第二架和第三架飛機從厚厚的雲層穿出來，平穩地降落機場。
劉亞樓跑下塔台，沒等毛澤東走下飛機，就站在才打開的機艙門前，衝著裏麵大聲說：“主席呀!嚇死我了!我們多為您的安全擔心啊!現在好了，平安無事了。”
擔任塔台指揮員的蔡演威對機組人員哭訴道：“你們可救了我一條命。”
“怎麼回事?”
“敢情你們還不知道怎麼回事?與你們失去聯絡半個多小時呀!沒有任何消息，不知道飛機在什麼地方，不知道飛機是否安全無事。上麵坐著的可是毛主席呀!劉司令員守在我的身邊一個勁兒催：‘快叫，快給我叫!’我的嗓子都喊啞了，始終聽不見你們回答。劉司令員急了，直衝我喊：
‘再聯絡不通，我槍斃了你!''''司令員的脾氣你是知道的。可我要是死了，也冤呀!\"
蔡演威連珠炮似的放了一通，一副驚魂未定的樣子。
飛機遇險，毛澤東一點也不緊張，還對劉亞樓說：“你還騙我說空軍沒有好的駕駛員，這下可揭穿你的鬼把戲嘍!”
劉亞樓病逝
1964年下半年，正在出訪巴基斯坦的劉亞樓突然感到身體不適。回國後體檢，醫院認為他病情嚴重，懷疑肝癌。中央軍委當即決定讓劉亞樓停止工作住院治療。但此時的劉亞樓哪裏顧得了那麼多，美國的無人偵察機不斷入侵中國進行騷擾，幾次出動飛機攔截，均未成功。10月15日，劉亞樓飛赴廣東，與指揮員、飛行員及有關戰勤人員分析無人駕駛偵察機的性能情況，給飛行員鼓勁。11月15日，美國無人駕駛偵察機在雷州半島被擊落。這時，他才遵照毛主席的叮囑，接受治療。11月16日，數十位國內一流專家組成醫療小組對劉亞樓的病情進行會診，認為有可能是肝癌。
醫療小組將劉亞樓的病情上報黨中央和中央軍委。毛澤東、周恩來等中央領導人都震驚了，畢竟劉亞樓還很年輕啊!他們當即指示：“趕快治，哪兒條件好到哪兒治!要全力以赴。”周恩來還特別指示：“暫不要將亞樓同誌患肝癌之事向外透露，對家屬尤其保密。”1964年11月26日，毛澤東在劉亞樓的信上批示：“亞樓同誌，此件已閱，很好。聞你患病，十分掛念。一定要認真休養，聽醫生的話，不可疏忽。\"
1965年3月下旬，劉亞樓的病情開始惡化。此時，空政文工團的歌劇《江姐》和話劇《女飛行員》正在上海演出，他多次聽取演出情況彙報，還找來編導和演員，研究觀眾的意見，修改劇本。1965年5月，劉亞樓病逝於上海。
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蘇德戰爭年代，伏龍芝軍事學院軍事科研工作主要是總結作戰經驗，以講義、戰例彙編、情況通報和單行本參考材料等形式向學員和部隊介紹。戰後，出版了《蘇德戰爭合同戰術戰例》(1~6卷)、《蘇德戰爭時期蘇軍戰術的發展(1941—1945)》,以及9種教科書、120種教學參考書。還積極參加了條令和教令的擬製工作，撰寫了210餘篇有關戰役學和戰術學的科研著作。