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1920年7月爆发的直皖战争，是北洋军阀之间的第一次大规模战争。以段祺瑞为首的皖系，在五四运动中声名狼藉；冯国璋死后成为直系首领的曹锟和在护国战争后期崛起的吴佩孚，则因反对皖系骗取了民心；一直标榜“中立”的奉系军阀张作霖，在关键时刻倒向直系，使皖系遭到惨败，从此一蹶不振。直系空军就是在这样的历史背景下创办发展起来的。
1.接管空军大权
重掌大权的段祺瑞政府的空军发展曾盛极一时，直皖大战后，段祺瑞失败下台，直系军阀曹锟、吴佩孚接管北京政府。曹锟手下抢到了三架大型“亨德利·佩治”式飞机，这是曹锟创办空军的“第一桶金”。1921年，曹锟要求大总统徐世昌和国务总理靳云鹏免去航空署长丁锦的职务，派自己的参谋长潘矩楹担任署长，直接掌握空军大权。潘矩楹上台后，罗致南苑人才，重用航空人员，秦国镛、陈虹、邢契莘、鲍丙辰、厉汝燕等被任命为参事或厅长，金贤、关庚泉、董静波、董鸿谦、涂学洛、杜保铭、吴经文等被委以科长各职。
1921年11月，曹锟以从皖系手中夺取的南苑航空教练所的“维梅”式、“爱弗罗”式等飞机20多架为基础，在保定组织航空队，敖景文任队长，全队编制179人（暂编147人）。后又在航空队基础上组建航空司令部，以敖景文为司令。
1922年2月21日，航空署与英国斐克斯公司接洽，借款30万英镑，年息8厘，以盐税为担保，期限9年。其中5万英镑为京兰航线筹建费，19万英镑为购买飞机和材料费用，其余为航空署经费。12月，航空署又以供福州民用航空为名，订购四架飞机，雇用美国人施利芬用驳船押运到汉口，不久，吴佩孚又用8.6万银元购买14架美制飞机，充实他的航空队。
2.参加第一次直奉战争
1922年4月，直奉矛盾激化，张作霖和吴佩孚分别发表通电，互相攻讦指责。4月29日张作霖在军粮城自任镇威军总司令，以孙烈臣为副总司令，下达了总攻击令。
战争爆发后，奉军分东西两路进攻。东路在津浦路上，马厂以北，总司令张作相驻落垡，指挥第二十七师、骑兵部队和卫队旅。西路在京汉线及其以东地区，总司令张景惠驻长辛店，指挥第十六师、第一师、第二十五混成旅。仅有的数架飞机也参加了战斗。直军由吴佩孚指挥，也分东、西路迎击奉军。东路是第二十四师、第二十六师。西路是第三师、第二十三师。杜锡珪率海军第二舰队开往秦皇岛和大沽口威胁奉军后方，敖景文率空军也积极参战。
在京汉路北段，吴佩孚以其战斗力很强的第三师发起猛烈的攻势，空军出动大型的“亨德利·佩治”式飞机，占据空中优势，对长辛店一带奉军阵地投掷重磅炸弹，给奉军以重创。奉军也派出飞机轰炸涿州一带直军。5月4日，西路奉军在直军空中猛烈的轰炸下，开始撤退。西路一败，东路也被牵动，奉军斗志大挫。张作霖匆忙赶到天津，下令全线撤退，第一次直奉战争结束。在这次战争中，直系空军发挥了重要作用，首先给西路总司令张景惠以很大威慑，使其战场指挥失利，陷入败局。
为了进一步扩充空军，1922年7月，曹锟在保定成立了航空教练所，培养飞行人员，以邓建中为所长。秋，沈德燮从美国学成回来，被委任为教育长，曹宝清、张画一、欧阳璋等人担任教官。
3.剿抚临城劫匪
1923年5月6日凌晨，沿津浦路北驶的一列火车在山东临城附近被劫持，劫持中外乘客200多名。这伙劫持者的头目是鲁南著名兵匪首领孙美瑶，为军阀张敬尧的旧部。乘客中有一些是参加山东黄河宫家坝堤口落成典礼的中外记者和外国旅游者，外国人一共26名。他们都被绑架到枣庄匪巢抱犊崮山麓巢云观。
消息传到北京后，英、美、法、意、比五国驻华公使先后向北京政府提出最严厉的抗议。美国政府准备直接出兵采取行动，日本并无侨民被掳，也狂妄地叫嚣组织国际联军，共管中国铁路。最后，五国公使向北京政府发出最后通牒，限三天内将全部被劫持的外侨救出，保证人身安全，否则就增加赔款，惩办山东督军，津浦铁路交给外国管理等苛刻条件。北京政府惊慌失措，把一切事情都放下来，集中全力讨论营救外侨的问题，最后决定采取以剿促抚的办法。曹锟亲自指示山东督军田中玉先派大兵压境加紧催促，并下令航空署迅速派飞机配合这一行动。
航空署接到命令后，立即以南苑航空教练所教育长蒋逵为队长组成飞机队。曹明志、陈海华、金巨堂为队员，率飞机两架前往剿抚。曹锟还不放心，又命令保定航空司令部也派机前往。司令部派出技术最好的邓建中、沈德燮等驾机迅速赶去。此时，政府代表与土匪代表周天松在枣庄煤矿中兴公司里谈判，几经讨价还价未达协议，外国公使天天追问，北洋政府命飞机到抱犊崮巢穴侦察，并散发传单。20天过去了，仍无动静。5月26日，军队进一步合围，飞机纷纷出动，绕山低空俯冲，继续散发传单。重兵逼近，飞机整天在头上转，土匪非常恐慌，强迫外国侨民修书求和，并放《密勒士报》驻上海外国记者鲍威尔携带两个谈判条件下山。条件：第一，撤退政府军；第二，孙美瑶所部收编为两个旅。北洋政府拿到信后，马上与土匪又进行谈判，同时命飞机不断地进行威胁性飞行。5月底，双方终于达成了协议。6月2日，主持收编的徐海镇守使陈调元陪同孙美瑶下山，与山东军务帮办、第五师师长郑士琦签订和平条约，飞机队原地待命。6月12日，最后一批八名外国人得释后，飞机队奉命各自归还建制。
4.第二次直奉战争和扩充空军
1923年10月，直系军阀曹锟通过贿选当上了大总统，直系势力在北京政府中逐渐扩张，并极力扩大本系统航空实力。除从南苑航校调拨人员、器材加强保定航空队外，还筹划在保定设立训练航空人才的机构。1924年4月5日，曹锟控制的中央航空司令部在北京成立。敖景文任司令、赵云鹏任副司令，下辖三个航空队，邓建中、沈德燮、李珉分任第一、二、三航空队队长，各队有飞行员10名左右，直系控制的航空队力量进一步增强。
4月20日，保定航空教练所成立。隶属于中央航空司令部，以第二航空队队长沈德燮兼任所长、飞行员欧阳璋兼教育长。除从陆军选调40名飞行学员外，另由陕西督军选派学员10名参加附学。教练机有“爱弗罗504K”、“小维梅”式及“寇蒂斯·金尼-4”式，飞行教官另聘有日籍教官一名。1924年9月，第二次直奉战争爆发，该所学员分配至各航空队协助执行有关航空勤务任务。直系失败后，教练所学员一时无处可归，后国民第三军接管了中央航空司令部在保定刘爷庙遗留下来的飞机、器材、人员，成立了国民第三军航空司令部，沈德燮任司令、蒋逵任副司令。同年底，将学员招回训练，并改名为国立保定航空学校，沈德燮兼任校长、蒋逵兼任教育长。1925年初，该校全体人员和飞机随同国民第三军移驻河南洛阳，以吴佩孚在洛阳练兵时的招待所广寒宫为校舍，在金谷园以南修建机库，扩修机场，加紧训练。同年秋，该校27名飞行员毕业，编成两个航空队。学员毕业后保定航空学校奉命撤销。
5.直系空军的瓦解
1924年9月，直奉战争再起。9月18日晚，代理国务总理、陆军总长、海军总长、航空署长等要员60多人群集中南海四照堂召开“讨逆”军事会议，由吴佩孚点将指派任务。吴讲完后，就要散会。这时没有领到任务的航空署长起身向吴请示，吴佩孚顺口讲要配合前线侦察算了事。此时，敖景文深感奉系空军难以对付，密电请示曹、吴，要在上海抢购飞机。
战争开始后，直系空军由司令敖景文指挥，把飞机编成三个队。第一队队长邓建中，第二队队长沈德燮，第三队队长赵云鹏。第一、二队配属直军第一路（总司令彭寿莘），在山海关正面作战，第三队配属直军第二路（总司令王怀庆），准备北出冷口关作战。然而相比之下，直系空军远不及奉系空军的实力，飞机少，性能也不好。吴佩孚马上指示交通部长吴毓麟分别向天津、上海的外国洋行购买飞机、弹药等。10月份，双方在主战场山海关激战。奉军飞机每天拂晓袭击直军，敖景文下令直系空军出动一两架飞机前往巡击。但奉系空军占据空中优势，直系飞机只能甘拜下风。正当两军战事方酣之际，冯玉祥在北京倒戈，直军后院起火。吴佩孚马上率兵返回北京，以张福来代行总司令。张福来电令滦县的航空队移驻军粮城待命。不久，直系失败，飞机一部分飞往天津，为冯玉祥部队俘获，在昌黎、秦皇岛的飞机被奉军俘获。航空署和其他航空机关被冯玉祥接收，航空人员大部分被派往西北边防督办公署航空处任职。
1925年冬，吴佩孚东山再起，联合奉军向国民军进攻，从孙岳手中夺回了一些飞机和航空人员，由敖景文任航空司令，韦庭鲲任参谋长。但好景不长，当奉军打败冯玉祥后，又掉转头来，挥师南下，夺取了吴佩孚占据的河南，飞机又被奉系直隶督办褚玉璞夺走。兴盛一时的直系空军从此瓦解了。