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要研究苏军的反攻行动，就必须提到1942年9月“天王星”行动的起源。9月12日，当朱可夫回到莫斯科，讨论斯大林格勒的局势时，斯大林命令朱可夫继续对顿河—伏尔加河陆桥区域的第6集团军北翼发动猛烈进攻。当斯大林离开座位去观察德军进攻区域地图时，朱可夫和华西列夫斯基开始悄悄讨论另一种解决方案。斯大林的听觉极其敏锐，两人的谈话引起了他的兴趣，他立即问道：“另一种（解决）方案是什么？”朱可夫吃了一惊，说两人正在研究其他方案的可能性，而不只局限于对第6集团军的侧翼发动代价甚高的战术进攻。斯大林立即命令两人重新认真考虑当前的局势。
9月13日22时，朱可夫和华西列夫斯基向斯大林汇报了“解决方案”。他们认为，A、Ｂ集团军群的战线拉得太长，其作战方式根本无法完成希特勒定下的诸多作战目标。德军的物资供应线已延长到了极限，由其他轴心国军队守卫的Ｂ集团军群侧翼也是相当脆弱的，这就提供了通过一次军事行动将第6集团军包围的可能性。然而，要想包围第6集团军，苏军必须发动一次经过严格规划的“大规模”军事行动，绝不能像红军以前的行动那样组织混乱、实施仓促。斯大林并没有注意到两人的这些话语中透露出对自己以前作战指挥的一种间接性批评，而是开始转而考虑这个构想的作战图。他要求两人详细解释在绥拉菲摩维奇集结部队的构想。华西列夫斯基指出，这是向第6集团军和第4装甲集团军的作战后方实施大规模打击的跳板。斯大林提出为何此次进攻不在距离伏尔加河更近，即更往东一点的地点展开时，朱可夫指出，这样会使德军装甲部队离开斯大林格勒，前去阻滞苏军的进攻，而在西部更远的位置发动进攻，有利于包围德军装甲部队，同时也为苏军提供了宝贵的时间来建立一条应付斯大林格勒包围圈内外德军进攻的防线。最后，当斯大林质疑红军是否有充足的资源来发动一次如此大规模的军事行动时，朱可夫的回答显然令斯大林感到满意，他可能需要45天左右的时间来部署所需的部队。
第62集团军的作用非常突出。当红军计划“天王星”行动时，第62集团军仍坚持在斯大林格勒进行战术歼灭战，他们成功地牵制住了德军第6集团军。可以说，从本质上来讲，这是为苏军展开战役性反攻行动创造条件的一个有效诱饵。虽然斯大林格勒对苏联来说具有重大的政治与象征意义，但从纯军事的角度来看，斯大林格勒会战只是一种达到战役效果的战术手段。为了使第62集团军继续坚守斯大林格勒，苏军向他们提供了充足的资源，但是，对苏联最高统帅部来说，斯大林格勒作战的胜利在本质上永远都不会是战争的结束。但与之相反，斯大林格勒却已成为德军的战役目标。至1942年10月，德军已忘记了夺取石油的目标，他们认为最重要的是取得伏尔加河的胜利。斯大林格勒完全吸引了德军的注意力，而第62集团军只是获得了能够继续生存的资源。这种对资源的精确计算以及最后将第6集团军的消灭，是苏联最高统帅部给人留下的最为深刻印象的成就之一。正如维尔莫特所说，“在纳粹德国与苏联的战争中，斯大林格勒为苏军提供了首次击败对手的机会，他们击败了准备充分的德军，这是非常重要的，与德军相比，苏军在战斗中根本不具备任何优势。”
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“天王星”行动（3）
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9月28日，叶廖缅科的东南方面军改称斯大林格勒方面军，方面军的边界从雷诺克的北部郊区，沿着伏尔加河，穿过斯大林格勒市以及城市南部，直至萨尔帕湖。戈尔多夫中将的斯大林格勒方面军改称顿河方面军，并由罗科索夫斯基指挥。瓦杜丁中将指挥的新组建的西南方面军部署在顿河中游和绥拉菲摩维奇桥头堡，目的是对付罗马尼亚第3集团军。苏军对西南方面军的存在始终高度保密。10月初，苏联最高统帅部向瓦杜丁、罗科索夫斯基和叶廖缅科下达了统帅部的作战意图。10月6—9日，“天王星”军事行动的基本框架构建完毕，其作战目的是包围和歼灭斯大林格勒地区的德军。苏军的装甲部队将兵分两路发动进攻，一路从北部向东南方向推进，一路从斯大林格勒的南部出发，向西北方向推进，两路人马将在顿河河畔的卡拉奇会合，将德军包围在伏尔加河畔。此次行动的目标直指斯大林格勒西北和南部的罗马尼亚第3集团军和第4集团军，同时，顿河方面军将牵制并向克列茨卡亚东部第6集团军的左翼发动进攻。西南方面军担负北部的主要突击行动，该方面军由列柳申科的近卫第1集团军、罗曼年科的第5坦克集团军和克里斯蒂亚科夫的第21集团军组成，总兵力33。8万余人。西南方面军的进攻计划如下：近卫第1集团军右翼将阻击意大利第8集团军，以防后者阻碍西南方面军右翼向南部推进。在西南方面军的左翼，在顿河方面军第65集团军的支援下，第21集团军将向罗马尼亚第3集团军右翼发动进攻。在中部，第5坦克集团军将穿越罗马尼亚军队防线，直插第6集团军后方，与来自斯大林格勒南部的苏军会合，将最初的战术胜利转变成为战役胜利。第5坦克集团军实力强大，包括布特科夫少将的第1坦克军和罗丁少将的第26坦克军，6个步兵师和8个骑兵军为其提供支援。第21集团军下属第4坦克军将与第5坦克集团军协同作战，确保消灭罗马尼亚军队。根据计划，纵深作战行动占据绝对优先权，坦克军将避免与敌人发生战术性的小规模冲突。为了占据包围圈的外围，西南方面军的右翼将在奇尔河建立一条防线。斯捷潘诺夫少将的第17空军集团军将从空中为西南方面军提供支援。
西南方面军左翼是罗科索夫斯基的顿河方面军，该方面军将从克列茨卡亚和顿河—伏尔加河陆桥一线发动进攻。在右侧，巴托夫少将的第65集团军将与克里斯蒂亚科夫的第21集团军协同，切断罗马尼亚第3集团军与德军第11军之间的联系。一旦完成上述任务，第65集团军的左翼将与加里宁少将的第24集团军在韦尔佳奇会合，包围德军第11军。然而，摧毁德军第11军并非顿河方面军进攻的主要目标，因为顿河方面军不仅没有足够的兵力，而且苏军在1942年9月和10月期间还不具备突破德军在斯大林格勒北方防线的能力。顿河方面军第65、第24和第66集团军的主要目标是阻止德军干扰西南方面军的行动。鲁坚科少将的第16空军集团军将提供空中支援。斯大林格勒方面军南侧的进攻行动将由第64、57和51集团军负责实施。距斯大林格勒市最近的第64集团军将把德军第4军牵制在斯大林格勒市内。在其左侧，第57集团军和在更南部部署的第51集团军将突破罗马尼亚第6军的防线。一旦形成突破，第57集团军下属第13坦克军将与第51集团军所属第4机械化军协同，向西北方向发动进攻，进一步扩大战果，推进至卡拉奇地区。第51集团军下属第4哥萨克骑兵军，将与3个步兵师（第126、302和91师）一道，在科捷利尼科沃向西南方向机动，以形成外围环形防线。进攻的日期暂定为：北部11月9日，南部11月10日，南北部选定的时间不同与西南方面军和斯大林格勒方面军相应行程的不同有关，两大方面军分别需要推进大约128公里和97公里。
虽然德军对“天王星”行动并不感到十分意外，但他们仍被此次行动的规模之大、攻势之猛烈以及苏军的勃勃野心所震惊。德军之所以缺乏准备，存在几种解释，其中之一便是苏联的“伪装作战”，它是一种旨在掩饰苏联进攻规模、时间和方向的伪装、假情报和欺骗方法。苏联最高统帅部深知，打算完全掩盖进攻意图是根本不可能的，但是，伪装作战所取得的成功被德军总参谋长蔡茨勒上将所证实。1942年11月28日，苏联最高统帅部提出，“在苏军准备发动进攻的过程中，必须要精心隐蔽所有参与进攻的军队，特别是坦克部队。”此次大规模的军事行动要求在两个月之内准备105万人、1。56万门大炮和894辆坦克，准备过程中要掩盖苏军的真正意图。需要在伏尔加河上修建许多渡河大桥，同时，信号兵必须在夜晚行军过程中操作信号灯指挥单线铁路的交通运输，每12分钟将有一列火车从铁路线上通过。诺维科夫指挥的空军部队将阻击德国空军的持续侦察以及对铁路交通的系统性封锁。苏军在夜晚调动以及昼间伪装过程中都实施严格的无线电静默，与此同时，苏军还专门组建虚假的无线电网络，以此来误导德军或打消德军的疑虑。苏军的指挥官们都一直对行动的真正意图一无所知，直至11月初，军队在进攻前夜才接到命令。为了加强行动的保密性，苏军禁止下达书面命令。无论在何种情况下，指令都尽可能地通过口头简报和地图演示的方式来传达。尽管苏军在其伪装作战中取得广泛的成功，但是德军还是得到了一些关于苏军即将发动进攻的警告。
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“天王星”行动（4）
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激战高加索
A集团军群的目标是夺取高加索山脉北部迈科普和格罗兹尼的油田，然后占领阿塞拜疆的巴库。巴库的石油产量占到苏联石油总产量的80％。德军最高统帅部希望A集团军群在夺取苏联丰富的油田之前，首先击败高加索山区的苏军并占领广阔的土地。这些最初目标都与“蓝色”行动中制定的目标相吻合。然而，由于过高估计了德军的能力，希特勒还要求A集团军群夺取黑海沿岸及其港口。从罗斯托夫到格罗兹尼超过483公里，而从格罗兹尼到巴库则超过322公里。希特勒梦想用21个师的兵力，占领一大片缺乏基础设施支援的地区。事实上，A集团军群除了依靠一条单轨铁路进行补给外，只能依赖第4航空队下属的空军第4军空投的燃油。与此前的战役一样，进入高加索地区的德军远征部队几乎没有考虑到当地的地形、距离和时间等问题，还严重低估了红军的战斗潜力。
同“巴巴罗萨”行动、“蓝色”行动及Ｂ集团军群初期向东进入顿河湾的战况类似，A集团军群最初推进神速。8月9日，第17集团军已经夺取了库班河河岸的克拉斯诺达尔，第1装甲集团军夺取了迈科普。苏军在撤退时摧毁了迈科普的石油设施，尤为重要的是，他们采取了一种放弃土地以换取时间的战略，避免被德军包围。1942年8月中旬，A集团军群开始准备第二阶段的进攻行动，多数德军指挥官认为，在几周内就能够瓦解苏军在高加索地区的抵抗。
就在利斯特陆军元帅改组自己的军队时，苏联红军也在对军队实施重组，希望能够应对德军新一轮的进攻。当时，布琼尼陆军元帅指挥北高加索方面军负责防御高加索地区。布琼尼留着一撮胡须，才能平平，让他成为一名军事领导人绝对是时代的错误。作为斯大林的一名亲信，他的平步青云与斯大林休戚相关。作为守旧派的忠实支持者，布琼尼尽力实现机械化战争的速度和力量。在7月到8月初，他的北高加索方面军未能成功地牵制A集团军群。不久，他便被任命为较为轻松的苏军骑兵总司令。1942年8月，布琼尼命令黑海集群负责防御黑海海岸，黑海集群的兵力包括科托夫少将的第47集团军，负责守卫新罗西斯克的北部港口。在该集团军右侧，雷诺夫少将的第56集团军和格列奇科少将的第12集团军负责防御重要港口图阿普谢。在迈科普的南部，负责保护第12集团军右侧和苏呼米港口北部通道的是卡姆科夫少将的第18集团军。在苏军右侧，马斯连尼科夫中将的北方集群部署在莫兹多克以北160公里处的库马河，隶属于秋列涅夫中将指挥的外高加索方面军。秋列涅夫的第46集团军与第37、第9和第44集团军都驻扎在捷列克河岸的防御工事内，负责保卫高加索山脉的通道。
8月19日，利斯特的A集团军群在绵延483公里长的阵线上再次发动进攻。其右侧部署的是理查德·罗夫将军的军团，包括其所属第17集团军、杜米特雷斯库将军的罗马尼亚第3集团军和罗马尼亚第5骑兵军。利斯特从第1装甲集团军抽调第57装甲军支援罗夫军团，增加该军团的实力和推进能力。罗夫军团兵分三路前进，每一路都有自己的战术目标。在右翼，当第57装甲军从迈科普向图阿普谢推进时，韦策尔将军的第5军向诺沃罗西斯克推进。在第5军的左侧，两个德军山地师开始一次远距离行军，试图夺取通往高加索山脉的通道，然后突袭苏呼米海军基地的南部山麓。苏呼米位于图阿普谢东南部，距图阿普谢大约402公里。罗马尼亚第3集团军的任务是集中兵力削弱塔曼半岛新罗西斯克北部的苏军，夺取一条从刻赤半岛到该地的海上交通和补给线。
就在罗夫军团沿着西部和西南部方向朝黑海海岸推进时，第1装甲集团军在马肯森的第3装甲军和冯·施韦朋堡的第40装甲军的带领下，从左侧向东南方向推进。第1装甲集团军将渡过捷列克河这道274米宽的天然屏障，夺取格罗兹尼，随后向南推进322公里到达巴库。所有这些目标都必须在冬天到来前实现，因为严寒会破坏道路，而A集团军群需要依靠这些道路来运送补给物资。当时，德国空军第4军在A集团军群快速渡过顿河和库班平原、抵达克拉斯诺达尔和迈科普的行动中发挥了重要作用。8月初，乐观的哈尔德将军表达了对于燃料供应形势的关注。在关于1942年德国战争的报告———《被阻滞在斯大林格勒》中，历史学家乔尔·海华德博士引述了利斯特在8月4日的观点，他认为，“投入足够的机动部队向西南方向快速突击，在巴库前方的任何地方都不会遇到重大抵抗。”然而，事实证明，在夺取了迈科普油田后，A集团军群的离去和希特勒将斯大林格勒列为优先进攻目标的做法，削弱了德