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9月27日，德军又发动了第二次强攻，这次争夺的焦点是红十月村的战斗和巷战。双方仍然打得很顽强。28日，斯大林格勒方面军改称顿河方面军，东南方面军改称斯大林格勒方面军，他们仍旧在为了斯大林格勒流血牺牲。胜负仍然难分。
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德国士兵正在悬挂德国国旗
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这样的场景在斯大林格勒的争夺中屡屡出现，双方的旗帜在阵地的易手中不断变化。
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10月中旬，德军第三次企图攻占斯大林格勒，拖拉机厂、街垒工厂和红十月工厂都遭到了德军实施的突击。德军攻占了拖拉机厂并在2.5千米宽的地段上抵近伏尔加河畔。苏军第62集团军的处境更加危险起来。然而苏联英勇的第62集团固守每条街、每幢房屋、每寸土地，在极端困难的境地下战斗展开了。
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此时的斯大林格勒会战已经不仅仅是一个城市的战役。它关涉斯大林本人的人格和整个苏联未来的命运。在万分紧急的情况下，顿河方面军为了援助斯大林格勒保卫战，在该市以北实施了连续反突击，第64集团军由南向德军进攻部队的翼侧实施了反突击。顿河方面军和第64集团军的反突击减轻了第62集团军所受的压力。
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11月11日，苏军已充分做好反攻准备，而强弩之末的德军虽已突入市中七个区中的六个区，但最后一次强攻仍然没有占领整个城市。通过斯大林格勒接近地和市区的激战，德军的进攻力已消耗殆尽。苏军的损失同样严重，第62集团军的两个师损失了75％的兵员。
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“乌兰”反攻
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短暂的调整后，趁着德军疲惫和天气的优势，苏军决定发起全线大反攻。至11月中旬，苏军共调集了在斯大林格勒地域的3个方面军总计143个师110.6万人，共有15500门火炮和迫击炮，1463辆坦克和强击火炮，1350架飞机。11月13日，斯大林正式批准了朱可夫和华西列夫斯基拟制的反攻计划，并亲自给这个计划起代号为“乌兰”。
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在斯大林格勒城市中心被击落的德国Bf-109战斗机
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Bf-109战斗机是二战中德国空军主力战斗机。它从二战前的西班牙内战到二战结束，从西线欧洲战场，到东线苏德战场四处征战，是二战德国空军的标志。在整个二次大战中，德国空军总战果中有一半以上是Bf-109战斗机取得的。
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11月19日，瓦杜丁的西南方面军和罗科索夫斯基的顿河方面军在纷飞的大雪中发起了反攻。此时的德军兵力匮乏，身体消耗严重，加上寒冷的天气，战斗力很是低下。苏军很快就突破了负责掩护德第6集团军侧翼安全的罗马尼亚第3集团军的阵地，一天之内向前推进了20多千米。
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11月21日，希特勒下令将曼施坦因元帅的第11集团军扩建为顿河集团军群，由曼施坦因元帅任司令，并把保卢斯第6集团军，霍特第4装甲集群和罗马尼亚第3、第4集团军交与他指挥。希特勒无疑对曼施坦因元帅寄予了厚望。他在命令中指示：“顿河集团军群当前的任务，就是使敌军的攻势停顿，并夺回原已失去的阵地。”然而曼施坦因很清楚这实际上是一个不可能完成的任务。
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12月12日，曼施坦因元帅怀着沉重的心情，发起了代号为“冬季风暴”的反攻。12月16日以霍特第4装甲集群为先导的德军突破了苏军第51集团军在阿克赛河上的防线。而曼施坦因自己却陷入了困境，急需兵力援助，但又因为保卢斯拒绝与之会合而丧失了最后的机会。即便是曼施坦因也无力回天，“冬季风暴”宣告破产。
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1943年1月初，天气更为恶劣，气温已降到零下45摄氏度。而德第6集团军的空运补给也越来越少。士兵们已不堪重负，他们怀念家乡，怀念亲人。
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德军元帅保卢斯向红军投降
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在斯大林格勒城下，保卢斯知道自己已经回天乏术，便在1943年1月31日正式向苏联红军投降。战后，保卢斯在纽伦堡审判中被盟国判处监禁，在1953年获释，两年后被遣送回国，此后他在苏联控制的东德担任检察官一职。1957年，保卢斯在东德去世。
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1月8日，苏顿河方面军司令员罗科索夫斯基中将向德第6集团军司令保卢斯上将发出最后通牒，敦促其投降。保卢斯和曼施坦因都劝希特勒投降。然而固执的法西斯大头目仍然我行我素，拒不投降。1月10日，罗科索夫斯基的顿河方面军向被围的德第6集团军发起了代号为“指环”的进攻。1月22日，苏军很快又占领了古门拉克机场，第6集团军的空运补给完全被中断了。
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1月31日，保卢斯向总部发出最后一份电报：“第6集团军忠于自己的誓言并认识到自己所负的极为重大的使命，为了元首和祖国，已坚守自己的岗位，打到最后一兵一卒，一枪一弹。”然而他最终还是在绝望中投降苏联，这是不得已的选择。2月1日，在斯大林格勒城北的第11军残部也投降了。规模宏大的斯大林格勒会战就此结束。
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斯大林格勒会战后，苏德双方都受到重创。在这场战斗结束后，斯大林格勒哀鸿遍野，血流成河。如此巨大的代价终于换来了反法西斯战争胜利的曙光。经过这次会战后，第二次世界大战的形势发生了惊天逆转，德军完全丧失了苏德战场的战略主动权，正如德国陆军总参谋长蔡茨勒将军所说的：“我们在斯大林格勒损失25万官兵，那就等于打断了我们在整个东线的脊梁骨。”
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