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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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在哈尔科夫举行的胡讷斯多夬告别仪式，前排左起第六人（着护士服、手持花环者）是他的妻子，右起第五人（手持元帅权杖者）是曼施坦因，第四人是霤特。
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库尔斯克战役失利后希特勒怪罪德军将领作战不力，1943年11月撤了霍特的职，让他改服预备役。其实从入侵波兰、到法国战役、再到苏联战场，霍特和古德里安都是德国两个最重要的坦克将军。他被撤职后第4坦克集团军司令一职由劳斯接任。
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“二战”期间，德军两个最重要的坦克将军：古德里安（左）和霍特（右），摄于1941年。
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库尔斯克战役又是双方军事力量对比的一个转折点，尤其体现在装甲部队和空军上。图哈切夫斯基不但主张把红军建设成一支正规化军队，而且看到科学技术进步和工业发展对军事的影响，主张发展空军和装甲兵。内战结束不久，苏联就和魏玛德国（注意：不是纳粹德国）在发展空军和坦克兵上有过对双方都有利的合作。图哈切夫斯基等人还赞成不幸早逝（同于1931年7月12日一次空难中丧生）的苏联军事理论家弗拉基米尔·特里安达菲洛夫和康斯坦丁·卡里诺夫斯基（1897—1931）的“纵深作战”理论，早在1930年就组建了有110辆坦克的坦克团，1932年又建成世界上第一个有超过500辆坦克的机械化军。在组建独立坦克部队，而不是把坦克仅仅当作辅助步兵、骑兵的武器这一点上，苏联红军是与德军“同步”、甚至起步更早的。到1936年，红军已经有4个机械化军、6个独立机械化旅、6个独立坦克团、15个配属于骑兵师的坦克团，还有相当数量坦克营和坦克连。但在图哈切夫斯基等高级将领被“清洗”之后，1939年11月改变做法，解散了独立的坦克部队，把他们分散到步兵部队中去，直到1940年末才重新把坦克力量集中起来。
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在“二战”战争史上，库尔斯克战役不啻一场重量级的“拳王争霸战”。此后德军参战坦克部队虽然不同程度得到恢复，但已经风光不再。一个突出例子便是前面提到过的“大德意志坦克掷弹兵师”，作为力量还比较强的部队，后来它“哪里需要到哪里去”，转战乌克兰、罗马尼亚、摩尔多瓦、东普鲁士等地，得到“救火队”（Feuerwehr）的“美誉”，但已经不再是“铁拳”。1945年3月，它只剩下约4,000人，4月25日在东普鲁士港口皮劳（Pillau，现在俄罗斯加里宁格勒州Балтийск，波罗的斯克）被苏军全歼，只有几百人逃出向英军投降。与之相反，红军坦克部队则越战越勇，成为此后历次重大战役的“铁拳”和“尖刀”。
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和装甲部队一样，空军也是苏联和魏玛德国军事合作的主要内容，而且在1936—1939年西班牙内战中所起作用比装甲部队还重要。两国主要空军将领都是在那个战场取得实战经验成长起来的，作战飞机也是在那里接受检验，改进发展起来的。不同的是苏联许多空军将领都在第二次“大清洗”中罹难，有幸没被“清洗”的很少，其中应该一提的是谢尔盖·格里泽维茨（1909—1939）。他曾作为苏联志愿航空队成员来华，在武汉上空一次空战中击落日机2或3架（全队共击落日机21架）。接着转往西班牙，到年底便取得击落敌机30架（另有7架未能确证）的骄人战绩，1939年2月22日第一次获授苏联英雄。5月他被派往诺门罕战役前线，击落日机12架，8月29日第二次获授苏联英雄。不幸的是9月16日他的飞机正准备起飞时被另一架开始滑行的飞机撞上，致使他伤重身亡。
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由于许多参加过西班牙内战的苏联空军飞行员被清洗，也由于战争最初几天就遭受重大损失，苏联不得不大量培训新飞行员，仅1942年就培训了13,383名飞行员。但培训时间都很短，战斗机飞行员只有13~15小时，轰炸机飞行员15小时，就连难度最大的俯冲轰炸机飞行员也只有18个小时，这和德国空军飞行员的训练完全不能相比。为了应急，苏联飞行员训练并不使用教练机，直接就用他们作战将要驾驶的飞机，而那就导致训练中事故频发，有资料说到1943年夏天为止训练中出事故损失的飞机竟达10,600架。库尔斯克战役之前，苏联空军轰炸机和攻击机（俯冲轰炸机）飞行员中具有作战经验的只占7%。