库尔丘莫夫预计的没错，在身后的是由普罗科菲耶夫带队的33架中苏战斗机组成的混合编队，而9点钟方向飞来的是从杭州起飞的国民党空军战斗机第四大队的15架霍克三型战斗机，领队的是暂时代理大队长一职的第23中队中队长毛瀛初（高志航已担任空军驱逐机上校司令兼第四大队大队长，但当时已经前往兰州接收苏式战斗机。）。
而从海上飞来的日机清一色的都是战斗机，日军第2航空战队队长掘江六郎少将将手头一次性都能出动的战斗机全用上，整整82架战斗机中有56架是最新式的96舰战，而其他的都是95式战斗机。掘江六郎知道自己的对手不好对付，对手应该懂得杭州湾北岸将是淞沪会战最后的突破口，而双方手中都有能影响战局的空中力量，特别是苏联航空队中超过四十架的重型轰炸机（日军的归类方式）如同日军悬在日军头上的一把利剑！
迟滞日军的登陆进攻就必须获得制空权，而日军为消除对手的威胁，也必须夺取制空权——相同的目地导致淞沪上空再次出现了超过上百架飞机的大空战。
54比82，中苏联军明显处于劣势，但不管如何，只能获得这次空战的胜利，不然淞沪的天空将被日本飞机统治！
按照原定计划，估计日军舰载航空兵必定求战心切，普罗科菲耶夫并未采取全线压上的方式，而是与杭州方向友军会和之后，以中苏不同机群分成三个大编队，在陆地上空待机。
果然，被复仇的思想杀红眼的日军舰载机指挥官带领日机一头冲了过来，双方一百三十多架战斗机交缠在一起，在空中几十平方公里的空域展开大决战。
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林俊是在11月7号才再次见到被用汽车拉到南京的普罗科菲耶夫：他的飞机在空战中弹药耗完后采用撞击战术，撞落了当天他击落的第四架日军战斗机，而与他一同回到大校厂的还有3名苏军伤员和15位牺牲烈士的遗体。
11月5日的大空战持续了一个多小时，双方都杀红了眼，很多飞行员到最后都没有去理会油耗，有些苏军飞行员在弹药打完后就采取撞击战术——最后苏联战斗机加上前期损失的六架伊16，共损失战斗机25架，牺牲15人，受伤4人，失踪6人。
五大队只回来3架飞机，而杭州方面的15架最后也只回去7架。中苏双方总共损失了38架战斗机，损失过半！而且回到各机场的己方战斗机多数带伤，惨重的损失让人难以承受。
代价是惨重的，但日军第2航空战队也不好受：前后起码损失了70架战斗机，此战后也没有能力完全控制淞沪地区的天空。
失踪的苏联飞行员已经没有生还的可能，他们的座机都是坠落在杭州湾的海面，最后林俊在战报上是这么写的：1937年11月5日上午，我航空队与友军共60架战斗机与敌90余架战斗机遭遇，我方牺牲21人，受伤4人，航空队损失战斗机25架，估计击落日军战斗机70余架，友军损失战斗机13架，牺牲11人，受伤一人。
“失踪“是不公平的，林俊将那六位飞行员归入了牺牲烈士的行列。
经过抢修，至7日航空队还有15架战斗机能升空作战——这已经是苏联援华航空队在大校厂最后的战斗机本钱。
损失不可谓不严重：飞机没了可以再运，但优秀飞行员的损失不是立刻就能够获得补充的。跟随林俊来中国的苏联飞行员都是原来部队中的骨干，虽然牺牲的21名飞行员在全苏不过是九牛一毛，但林俊损失不起——这些人原本在华一段时间后就会轮换回国担任重要职务，现在却血撒长空。
打仗哪有不死人的！这点谁都明白，但真正放在眼前时，决策者不得不感到一丝愧疚。
由于损失过大，虽然日军一边也不好过，林俊还是不得不将下一阶段的作战采取保守战法：收缩防御，尽量不主动出击。
而日军一边也不得不将支援登陆的空袭暂时取消，航母编队远离中国沿海——它们也不能保证南京方面的中苏空军会否孤注一掷，出动轰炸机群袭击航母编队，要知道那四十架重型轰炸机可不是吃素的，要是和剩余的战斗机一窝蜂的出动、不计代价轰炸日军航母编队，后果绝不是是日军指挥官想看到的，再说三艘日军航母也已没有足够的战斗机做防御。
支援日军登陆的只剩下少量的驱逐舰舰炮火力支援，日军几万部队只能在滩头与防守的国民党守军打一场“正规“的地面战。
11月7日，为再次支援杭州湾北岸守军，林俊派出两个中队共24架轰炸机，在12架战斗机护航下再次空袭日军登陆部队。飞机编队在返航时遭遇10多架日舰载战斗机拦截，损失轰炸机4架，牺牲11人，击落日机6架。
日军步步蚕食杭州湾北岸阵地，而身处南京的林俊在得知上海国民党守军已开始有步骤撤退、日军舰载航空兵基本不见踪影的情况过后，于11月9日大胆下令出击，轰炸日军阵地，迟滞日军攻击速度。
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