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奉系空军的创办也是在段祺瑞下台后开始的。奉军参与直皖战争后，从中渔利，将北京南苑航空教练所的飞机及航空装备运回沈阳，开始筹办航空事宜。
1.奉系空军的创办
张作霖要建立空军的念头很早就有了。当民国初年，国内只是在段祺瑞手中有几架飞机时，他就希望建立一支自己的空军。
1920年，直皖战争爆发。直系军阀突袭皖军前敌指挥部取胜，奉军在东路协助直军作战，皖军全线崩溃，直奉联军开到北京，战争以皖系失败而结束。之后，战胜者对战利品便开始了疯狗般地抢夺。奉军除抢得大量辎重财物之外，还把南苑航校的12架飞机运往奉天，包括“大维梅”双翼360马力双发动机旅客运输机、“小维梅”单翼360马力侦察教练机等多种机型。皖系军阀在东直门里的库房，全部被奉军接收。在南苑对皖军缴械时，奉军邹芬所部缴获空军探照灯两只，落入直军手中，张作霖急向直方追索，引起直方不满。当时曹锟说：“张雨亭（张作霖）真是地道的胡子，得那么些东西还不够，连两只灯还要。”
皖系的飞机、器材被抢来了，皖系的一些航空人员也跟随来，如南苑航空学校毕业的姚锡九、王立序等人便是。此外，张学良又从大沽造船厂等地调来技工赵鸿起、宋茂臣等22人。这样，东北空军的班底就搭起来了。
1920年9月，奉系军阀、东三省巡阅使张作霖着手筹组东三省航空处。1921年4月1日，该处正式成立，直辖于东三省巡阅使，乔赓云为处长，赵延绪、章斌为正、副主任。初期，暂借沈阳第三中学一部分校舍作为办公地点，在沈阳东塔农业试验场修建飞机场、厂房、仓库宿舍以及办公室等，并从南苑航校招募飞行机械人员百余人，筹建航空修理工厂，以从北京政府抢运至沈阳的航空装备为基础，开始了东北空军的创建工作。
2.开办航空学校，多方培养人才
鉴于国内航空人才较少，招聘困难，张作霖决定自办航校，培养航空人才。1922年9月1日，在沈阳东塔机场开办了东三省航空学校，作为扩充、加强东北空军的基础。航校首任校长由航空处处长乔赓云兼任，赵延绪兼任教育长。除中国教官外，还聘请了英、日、白俄飞行教官。第一期招收飞行学员40名，主要从军事学校毕业生中选调。学制2年，采用100匹马力的英制爱弗罗504K为第一级教练机，180匹马力的法制高德隆GⅢ为第二级教练机，300匹马力法制贝来盖14A为第三级教练机，每级飞行时间为60小时。先后训练了三期学员：第一期学员1924年8月毕业，共39名；第二期学员全部从东北陆军军士教导队选调，1926年8月毕业，共20名；第三期期间发生了“九一八”事变，训练被迫中断。
在开办航校的同时，东三省航空处还先后选派了三批共40余名飞行员出国学习。1923年12月，12名陆军军官被送去法国学习飞行，1925年4月有八人毕业回国。但这批人员中有的年龄偏大，有的体质较差，驾驶战斗技术不高，不能满足战斗需要。1925年10月，东北航空处再次选飞行员出国，这一次重视了选调学员的年龄和身体条件，从1000多名东北军官训练班的学员中选出了34名年轻体壮者去法国学习飞行和机械。1927年1月，这批学员结束了全部训练科目学成归国。
第二期学员在法国学习期间，其他军阀也在筹办自己的空军，他们采取各种方式对张学良重点培养的飞行员拉拢利用，这让张学良很是烦恼。因为这些都是1925年由张学良费尽心血选拔、出巨资重点培养的飞行人才，他们远赴法国学习飞行技术，马上就要回国了，而如今，国内各派势力都盯上了这批未来的空军新生力量。
于是，张学良指示机械处处长徐世英：“把在法学习的全部28名航空学员，全部由准尉提升为中尉……回国后，不用几年，只要尽忠职守，全都可以提升为少校和中校……”
1927年，张学良派徐世英赴香港亲自迎接这些留法的航空学员。这不仅仅是张学良对他们的重视，同时也减少了这批学员被中途拉走的可能性。
这批学员回国后，相继提升为少校至中校，成为东北空军的一支重要力量。抗日战争期间的空军英雄、中国空军第三飞行大队大队长高志航就是这批学员中的佼佼者。
张学良不仅花巨资培养飞行员，他还训练驾驶飞行。在学习飞行上，张学良十分刻苦，专门请来万显章辅导他学习飞行理论知识和实际操练。没过多久，张学良就能熟练地驾驶飞机在营口和丹东飞来飞去，甚至还能够自己驾驶飞机到南京开会。
1926年3月，四名东三省航空学校第二期在训学员被送往日本学习侦察飞行，1928年学成回国后担任航校教官。
3.改组航空处，扩大东北空军
1923年9月，东三省航空处改组，改处长为总办，张学良为总办兼航空学校校长。航空处机构进一步扩大，下编飞龙、飞虎、飞鹰三个航空队，由章斌、赵延绪、伊里布分任队长，随后参加了第二次直奉战争。1925年6月，东三省航空处改称东北航空处，航空机构再次扩充，并增编飞鹏、飞豹航空队，张学良兼任飞鹏队队长，赵延绪、伊里布、赵翔陆、古德连分任飞虎、飞鹰、飞豹、飞龙队队长。为了对国民军作战，同年10月1日又成立东北航空司令部，由张学良任司令、冯庸任参谋长。1926年3月，还在秦皇岛成立东北海防训练队，接收五名飞行员入队训练，当年7月毕业后，编为水平飞行队，这是中国成立的第一支水平飞行队。同年4月，东北军在清河接收了国民第三军大维梅飞机2架、小维梅飞机3架，改编成轰炸队，同时飞龙、飞鹏队进驻昌黎，并派出飞豹队去山东助战，东北空军队伍进一步扩大和加强。
1926年夏，奉军进驻北京，改组北京航空署，下属机构均由奉系人员控制。此时，奉系空军约有飞机100余架。奉系军阀张作霖联合冯玉祥及皖系军阀打败直系军阀后，除据有东北各省外，其势力已由京奉、津浦两线发展，伸张到南京。1926年8月张作霖击败了冯玉祥，1927年在冀豫区混战中，又打垮了直系军阀吴佩孚部靳云鹏，自称安国军总司令。
奉系入驻北京后，航空领导机关有北京航空署、东北航空处和东北航空司令部，多头领导，矛盾较多。1928年1月，撤销东北航空司令部，同年4月，北京航空署裁撤。
作为奉系扩张势力工具的东北空军，尽管此时在军事上只能起到对地面进行侦察扫射和小规模投弹等作用，张作霖却利用其拥有相当数量的飞机之所长，攻其他军阀没有飞机或飞机数量较少之所短，充分发挥了飞机的战斗作用。比如，1927年，张作霖和直系靳云鹏在河南作战中，张之所以取胜，30多架的飞机作战功不可没。1927年，阎锡山的山西骑兵迂回于张家口和古北口之间威胁北京，东北空军每天出动飞机监视对方行动并投弹轰炸。
东北空军发端于张作霖的创办，经过张学良的整顿和训练，至“九一八”前，无论是技术、战术还是装备、配置都有了显著的提高，因此，在东北空军鼎盛时期，已拥有100多名飞行员、近300架飞机。这些技术过硬的飞行员，能够适应多种作战方式，这在当时全国各军阀中是独一无二的。但这样一支实力雄厚的空军，竟在“九一八”事变中不战而溃，令人扼腕叹息。