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按照曼施坦因制订的计划，“堡垒行动”由德军两个集群实施。北翼克鲁格元帅指挥的中央集群向南进攻，担任主攻任务的是莫德尔将军指挥的第9集团军。一说它由22个师组成，其中有7个坦克师、1个坦克掷弹兵师（Panzergrenadierdivision，一种由步兵和坦克配合作战的部队），另一资料则说由21个德国师、3个匈牙利师组成，共33.5万人。协助它的是瓦尔特-奧托·怀斯（Walter-Otto Weiß，1890—1967）上将指挥的第2集团军，由7个步兵师和2个坦克师组成，9.7万人。南翼曼施坦因自己指挥的南集群向北进攻，担任主攻任务的是霍特将军指挥的第4坦克集团军。一说该集团军由19个师组成，其中9个是坦克师或坦克掷弹兵师，另有瓦尔特·内林将军（Waltber Nehring，1892—1983）指挥的第24坦克军（由1个坦克师和1个装甲掷弹兵师组成）作为预备队，总数21个师。另一资料则说它由第52步兵军、第48装甲军和第2党卫队装甲军组成，共22.4万人。此外还有一个由维尔纳·肯普夫将军（Werner Kempf，1886—1964）指挥的“肯普夫集团”（Army Detachment Kempf），10个师，12.6万人，向东北方向进攻，阻击苏联沃罗涅日方面军后方援军。
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地面部队之外，还配备了强大的空军，北翼进攻由李希霍芬指挥的德国空军第4集团军配合，南翼进攻由罗伯特·冯·格莱姆（Robert Ritter von Greim，1892—1945）指挥的德国空军第6集团军配合，动用的飞机总数超过2,000架（有资料说2,110架）。
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1943年7月，德军“堡垒行动”进攻示意图
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按照总参谋部制订的方案，苏军也做了充分准备。值得注意的是，在瑞士的“红色小乐队”（Rote Kapelle）成员，这时也发来德军“堡垒行动”情报，对苏军制订方案很有帮助。
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在库尔斯克弧形地带北部，罗科索夫斯基指挥的中央方面军负责防御德军北翼莫德尔第9集团军的进攻，与之配合的是谢尔盖·鲁登科（1904—1990）指挥的空军第16集团军。在其东北由马基恩·波波夫（1902—1969）指挥的布良斯克方面军和在其北面由瓦西里·索科洛夫斯基（1897—1968）指挥的西方方面军，协助中央方面军防御并准备发动代号“库图佐夫行动”（Операция Кутузов）的反攻，收复库尔斯克北面奥廖尔州首府奥廖尔（Орёл）及其周围地区。与布良斯克方面军配合的是尼古拉·纳乌门科（1901—1967）指挥的空军第15集团军，与西方方面军配合的是米哈伊尔·格洛莫夫（1899—1985）指挥的空军第1集团军。
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在弧形地带南部，以瓦图京指挥的沃罗涅日方面军防御德军南翼霍特第4坦克集团军的进攻，在其后方（东面）部署了科涅夫指挥的草原方面军作为战役总预备队，主要用于发起反攻，如果出现意外情况也可用以支援沃罗涅日方面军。与沃罗涅日方面军配合的是斯捷潘·克拉索夫斯基（1897—1983）指挥的空军第2集团军，与草原方面军配合的是谢尔盖·戈留诺夫（1899-1967）指挥的空军第5集团军。
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为了领导和协调敌后日益壮大的游击队行动，一年前（1942年5月30日）便建立了由潘特雷蒙·波诺马连科中将（1902—1984）任参谋长的游击运动总参谋部，下设白俄罗斯、乌克兰等地区参谋部。这时也受命破坏德军后方交通线，阻断其后勤补给，搜集情报，抓“舌头”。
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7月5日，等待已久的德军进攻终于到来。但在这之前，7月2日凌晨，苏军总参谋部已经接到侦查部门报告，说就在最近几天，至迟不超过7月6日，德军会在库尔斯克地区发动进攻。华西列夫斯基立即将这个情况报告了斯大林，当天夜里得到最高统帅批准，给各方面军下达了准备作战的命令，华西列夫斯基自己且立即乘飞机赶到沃罗涅日方面军指挥部。整个战役期间他一直在南翼负责协调沃罗涅日方面军和草原方面军的行动，朱可夫则在北翼协调中央方面军、布良斯克方面军和西方方面军的行动。
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美国拍摄的《二战中的指挥官》，把库尔斯克战役说成曼施坦因与朱可夫的对决，显然不符合史实。
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在北翼，7月4日有几个德军士兵向苏联中央方面军投诚，说德军将于第二天发起进攻。这天南冀德军进行了一次试探性侦査，被俘的一名德军士兵透露了同样信息。于是苏军决定在德军发动进攻之前率先实施炮火打击，根据此前经验判断德军发起进攻的时间可能会在凌晨3：00，时间定在凌晨2：30。事后发觉这个时间早了一点，德军步兵、坦克都还在掩蔽部里没有进入出发阵地。如果稍晚一点，比如推迟半个小时，效果当会更好。尽管这样，还是打乱了德军原来的计划，进攻推迟到早上6点才开始。而且他们明白，进攻已毫无突然性可言，等待他们的是已经做好充分准备的苏军。
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曼施坦因制订计划所持仍然是“闪电战”思维，要求两翼德军在4天内完成南北夹击任务，把弧形地带里的苏军包围起来。但是，两翼德军进攻都严重受阻，进展缓慢。9日北翼莫德尔发动最后一次进攻，仍然受挫，10日被迫转入防御。12日苏军开始反攻，布良斯克方面军和西方方面军野按原定计划实施“库图佐夫行动”，很快收复了奥廖尔地区，紧接着（8月7日）又发动第二次斯摩棱斯克战役。南翼德军一周之后（12日）也才进展到普罗霍罗夫卡，在那里与苏军展开激战，但直到16日也没能再前进一步。形势不妙，17日希特勒下令撤退。苏军随即发起反攻，不但完全“拉平”了“弧线”，整个战线往西推进了大约150公里，还于8月12日发动第四次哈尔科夫战役，23日收复哈尔科夫。
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就在库尔斯克北翼德军被迫停止进攻的7月10日，英美军队在意大利西西里岛登陆。这无疑是个好时机，因为库尔斯克战事正酣，希特勒注意力全集中在那里。17日他下令南翼德军撤退，有人说那是要抽调兵力去支援西西里岛，但这个说法显然存在疑点。两地相距遥远远水焉能救近火？撤下来的德军都已受重创，能堪挽救西西里战局之大用？
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8月5日莫斯科鸣放礼炮庆祝北翼红军收复奥廖尔、南翼红军收复别尔哥罗德，这是卫国战争开始后第一次为庆祝胜利鸣放礼炮，此后历次重大胜利就都以这种方式庆祝。
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库尔斯克战役以坦克大战闻名，尽管不同研究者得出的数字颇有出入，但双方参战坦克加在一起大概都超过万辆。美国军事史家戴维·格兰茨（David M. Glantz，1942—）得出的数字是苏军坦克7,360辆，德军坦克3,243辆，双方之比约为2.3:1。德国军事史家卡尔-海因茨·弗里舍（Karl-Heinz Frieser，1949—）的数字则为苏军坦克8,200辆，德军坦克2,699辆，双方之比约为3:1。其中普罗霍罗夫卡之战双方出动坦克上千辆，被认为是历史上规模最大的坦克战。后来西方一些研究者说没有那么大，德军大概只有200辆，苏军只有400辆。普罗霍罗夫卡是库尔斯克-别尔哥罗德铁路线上一个小站，600辆坦克也够可观的了。
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库尔斯克战役南线作战过程示意图
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库尔斯克战役苏军在查看一辆被击毁的德军“豹式”坦克
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此役双方损失都不小，但损失数字各说不一，相差颇大，可以参考的是各方有关报告。南翼德军由瓦尔特·霍恩莱将军（Walter Hörnlein，1893—1961）指挥的“大德意志坦克掷弹兵师”进攻开始时有118辆坦克，经过5天作战还能使用的就只剩下3辆“虎式”、6辆“豹式”以及11辆中型坦克。冠以“大德意志”头衔的部队在德军中高人一等，兵员和武器配备都享有优先权，堡垒行动之前（1943年5月）这个师刚得到“虎式”坦克和装甲运兵车的补充，它和保罗·豪塞尔上将（Paul Hausser，1880—1972）指挥的武装党卫队第2坦克军是南翼担负主攻任务的主力，但由于到7月10日只剩下20辆还能作战的坦克，它未能参加7月12日开始的普罗霍罗夫卡战斗。
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应该注意的是，德军损失的坦克除战斗中被击毁的以外，不少是被击伤或者发生各种故障不能使用的。例如南翼由海因里希·冯·克诺伯斯多夫将军（Heinrich Otto Ernst von Knobelsdorff，1886—1966）指挥的德军第49坦克军，7月5日发起进攻时有200辆坦克，战役结束损失了162辆，其中被击毁31辆，被击伤或因故障必须修理的131辆，还能使用的只剩下38辆。德军等待修理的坦克撤退时大多没能带走，而苏军被击伤的坦克后来很多都修复后再次出现在战场上。
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除了武器装备的损失，德军兵员、包括高级军官的损失也不可忽视。一个当时引起震动的例子是第6坦克师师长瓦尔特·冯·胡讷斯多夫少将（Walther von Hünersdorff，1898—1943）的阵亡。该师隶属“肯普夫集团”第3坦克军，建于1939年10月18日，首任师长就是维尔纳·肯普夫。7月13日早上，胡讷斯多夫在战斗中受伤，午后又第二次受伤，次日被送往哈尔科夫抢救，但因伤势太重17日不治身亡。他的妻子是一名红十字会护士，当时正在哈尔科夫，目睹了丈夫的死亡。葬礼极其隆重，曼施坦因元帅、霍特将军、第6坦克师前任师长艾哈德·劳斯将军（Erhard Raus，1889—1956）等多名高级将领参加，接着他又被追授中将军衔。
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