1950年10月31日，经..批准，空军部队由旅改师。刘亚楼指示，旅改师后，混成第四旅番号序列不变，改称空军第四师。师长为方子翼，政委仍为李世安。
为了参加抗美援朝作战，保卫祖国领空，空军部队加速扩编。1950年10月5日在沈阳成立歼击第三旅后，各机种的航空兵部队如雨后春笋般地不断建立。其扩编大致分五个阶段：1950年11月下旬至12月23日，组建了装备强击机的第五师，装备歼击机的第二、六、七、九、十二师，装备轰炸机的第八师；1951年1月上旬至5月，组建了装备轰炸机的第十师，装备强击机的第十一师，装备运输机的第十三师，装备歼击机的第十四、十五、十六、十七、十八师；1951年9月至1952年5月，组建了装备歼击机的第十九、二十一、二十四师，装备轰炸机的第二十、二十三、二十五师，装备强击机的第二十二师和装备侦察机的独立第一、第二团，装备运输机的独立第三团；1952年12月至1953年3月，组建了装备歼击机的第二十六、二十七师，装备强击机的第二十八师，装备轰炸机的独立第四团，同时开始将每师二团制逐步扩编为三团制；1953年底至1954年初，组建了装备歼击机的第二十九师，装备侦察机的独立第三团。至此，..空军已有28个航空兵师、70个航空兵团，各型飞机3000多架，形成了一支航空兵种类初步齐全、具有一定战斗力的空中力量，整个空军的建设已初具规模。
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此时，虽然空军部队的番号序列已经排到第二十九师，但仍然空缺着"空一师"的番号。
抗美援朝建功勋，"空一师"番号终确定
1950年6月25日，朝鲜战争爆发。年轻的人民空军后来以"中国人民志愿军空军"的名义奉命参战。初创时期的人民空军，不仅飞行员飞行时间短，驾驶技术不熟练，更没打过空战，而美国空军大都是参加过第二次世界大战的飞行员。然而，..空军发扬敢打必胜的精神，不畏强敌，奋勇拼搏，取得了辉煌战绩。在两年的时间里，志愿军空军共有10个歼击师21个团、2个轰炸师3个大队参加抗美援朝作战，共起飞2457批26491架次，实战366批4872架次，有373名飞行员向敌机开炮，212名飞行员击落、击伤敌机。共击落美机和参加朝鲜战争的其他国家空军的飞机330架，击伤95架，其中绝大部分是美机。我空军被击落231架，被击伤151架，牺牲116名飞行员，涌现出大批为后人所熟知的战斗英雄。
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最早参加抗美援朝、战绩最突出的空军部队是"空三师"和"空四师"，两师都受到过..的亲自嘉勉。"空三师"于1951年10月开始两次轮番参战，是志愿军空军部队中"战绩大、打得好"的一支过硬部队。在历时一年多时间里，共起飞255批3465架次，实战52批776架次，击落敌机87架、击伤27架，涌现出击落、击伤敌机29架的"王海大队"，击落、击伤敌机17架的"赵宝桐中队"等61个立功单位，以及英雄、模范、功臣1113人。1952年2月1日，..看到该师的情况报告后，亲笔写下了"向空军第三师致祝贺"的批语。
"空四师"是人民..空军第一支参加抗美援朝的部队。参战伊始，刘亚楼司令员为其制定了"慎重初战"，"从实战中锻炼，在战斗中成长"的指导原则。该师按照部队序列，十团二十八大队接受了第一批实战锻炼的任务。
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1951年1月21日，"空四师"迎来了第一次空战。雷达发现，数批敌机在平壤以北沿铁路线活动。苏军出动8机，我二十八大队出动8机迎敌。大队长李汉先于友军接敌，率队迂回到敌机后面，在距敌400米处用固定光环瞄准射击，敌机纷纷向黄海上空逃去。后经射击照相胶卷判定，击伤敌F-84飞机1架。这是"空四师"首战首次击伤敌机，也是志愿军空军第一次取得的空战胜利。空军领导对初次空战的胜利非常重视，专门发来电报指出：这次空战，"证明年轻的中国人民空军是能够作战的，是有战斗力的"。
