1921年秋，也就是“九一八”事变爆发的10年前，张学良受其父张作霖之命，前往东瀛参观日本空军。当张学良亲眼看到日本空军先进的技术、精良的装备、高超的训练后，暗自痛下决心一定要建起自己的东北空军。回国后，张学良向张作霖如实报告了赴日参观空军的情况。
其实，张作霖早已认识到，要巩固东北非建立强大的空军不可。早在此前的1920年7月，张作霖就设立了东三省航空处，并拨出巨款在奉天东塔农业试验场修建了飞机场。据史料记载，此时的奉系已拥有4架大威梅双翼360马力旅客运输机，4架小威海单翼360马力侦查教练机，均为张作霖在直皖战争中从皖系军阀段祺瑞手中缴获而来的。
1923年9月，张学良担任东三省航空处总办。他一上任，就把东北航空处整编为五个大队：飞虎队、飞鹏队、飞鹰队、飞豹队，张学良兼任“飞鹏”队队长，为了把这个航空处办得更好，张学良不仅从日本、俄国高薪聘请外国教官，到奉天航空学校开展起航空飞行技术业务培训，积极充实东北航空的技术力量。同时，他还把一批优秀的青年送到国外深造学习飞行驾驶技术。
到1925年7月，由张学良领导的东北三省航空处已拥有各种飞机50多架，仅飞行员就达到100多人。随后，张学良先后从意大利、德国、英国、日本等国购进侦察机9架、水上飞机8架、轰炸机9架、战斗机5架、教练机8架，基本上组建起了东北空军。
张学良不仅舍得花巨资培养飞行员，而且还自己带头学习航空飞行技术，专门请来专家辅导他学习飞行理论和实际操练。据说，张学良本人能够熟练地驾驶飞机在营口与丹东之间飞来飞去，甚至还能够自己驾驶飞机到南京去开会。
在1929年中东路事件中，张学良的奉系东北空军损失惨重。事后，张学良花巨资又从法国进口了一批新式飞机，并进口了一批飞机散件，自行仿造组装了一批战斗机。据记载，东北军自己组装的战斗机被称为辽F1式，为双翼型，它吸收了德国和法国战斗机的优点，当时算是比较先进的战斗机型。此外，还有辽FH1式、作为轰炸机可载4枚100公斤的航空炸弹，是一种航程比较远的轰炸机，大大提高了奉系军阀的军事地位。
1931年9月初，面对日军在沈阳的种种侵略迹象，当时留守在沈阳的奉系东北空军长官陈海华给远在北平的张学良打去了请示电话。然而，得到的回答却是张学良“命令全体空军官兵不得擅自行动”的命令。
就在“九一八”事变爆发的当天晚上，奉系空军再次传达张学良的命令：“日军闹事，不准抵抗，如有不听命令滋事的，军法处置。”那些急欲登机迎战的飞行员获知后，都非常不解地撤离了机场。
次日清晨，沈阳东塔飞机场突然遭到日军飞机长达一个多小时的狂轰滥炸，但整个机场却没有一架战机起飞来迎战。狂轰滥炸过后，日军派兵迅速占领了机场。日军的占领让奉系东北空军损失惨重：不仅损失了战斗飞机150余架，就连刚刚从捷克成套购买的尚未安装的机件也落入了日军手中。随着东三省的沦陷，奉系东北空军的260多架飞机全部被日军缴获。为此，张学良痛心疾首。
大量史料显示，当时东北奉系军阀的空军无论在航空技术、机械设备、具有专门技术的航空人员等等方面都达到了一定规模。在奉系东北空军的鼎盛时期，拥有各类新型作战飞机360多架，有近200名飞行员，能够适应多种作战方式。这在当时全国各系军阀中也是独一无二的。然而，在当时国内军阀混战的历史背景下，张学良精心培养奉系空军的目的似乎也非常简单，主要是为了对付国内其他军阀，让其他军阀尝到奉系空军的厉害，而并不是为了积蓄力量对抗日军这个外来侵略者……
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