随着人类文明的进步，战争也逐步升级，特别是现代战争，越来越朝着全方位、立体化方向发展。第一次世界大战促进了飞机在军事领域的发展，战后经济的繁荣与科技的进步，也为航空业的发展创造了条件。二战中空气动力学、发动机技术等领域取得的举世瞩目的研究成果，让飞机飞得更快更高更远，受杜黑空中制胜论的影响，各军事大国纷纷大规模研发轰炸机、战斗机、直升机，航空武器装备发展进入了黄金时期。
轰炸机作为作战飞机中的巨无霸和空中堡垒，它几乎贯穿着整个航空武器的发展历史。大型轰炸机和专用攻击飞机的出现使蓝蓝的天空变得如此险恶。在这种态势下，由于轰炸机运用的牵引使新型战斗机、雷达、高炮等一系列以轰炸机为作战对象的武器装备也开始发展和成熟起来，空军大发展的时代到来了。
二战期间, 轰炸机一改一战时期飞机结构和材料简单、粗糙的弊端，基本上都采用金属材料作为飞机的外壳和结构性零件，在关键部位还加装了装甲。同时，一些中型、重型轰炸机开始配备完善的雷达自动瞄准装置及全天候飞行设备等，使其投弹命中率和作战效能得到大大提升。如在40年代初由德国首先研制成功喷气式轰炸机, 美国研制出超音速轰炸机和“隐身”轰炸机等。
战争后期，轰炸机又有新发展，装有4台发动机的重型轰炸机是轰炸机发展到新水平的标志，其载弹量可达8－9吨，航程为2600－7000千米。其中尤以美国的B－29最为显赫超群，它不仅是投向广岛、长崎两颗原子弹的载机，而且投下大批燃烧弹，造成著名东京大火，致使十几万日本平民伤亡。
喷气式轰炸机在二战期间由德国首先研制成功的Ar-234“闪电”喷气式轰炸机, Ar-234“闪电”的载油量超过Me262两倍。经过不断改进, 1944年10月16日, Ar-234V19完成首飞, 它配备了四台BMW003A发动机和新设计的座舱。不断改进的Ar-234是最早的、也是第二次世界大战仅有的两种喷气轰炸机。在实际运用上, Ar-234大部分是担任侦察机的角色。仅少数担任轰炸机角色, 它的速度性能, 使它几乎不可能被敌机拦截。
战斗机方面, 世界上公认的第一种战斗机是法国的“莫拉纳·索尔尼爱L”型飞机。194月1日, 法国人罗兰·加洛斯驾驶该机击落了一架德国侦察机, 取得了战斗机空战的首次胜利，击落3架敌机，并迫使2架迫降，从那以后西方就以击落5架作为空战王牌的标准。随后, 德国的“福克E1”式战斗机也相继诞生，堪称世界上真正意义上的战斗机。接着福克公司推出了新型福克E3战斗机，该机投入使用后很快给英法飞机造成更严重的损失。这一段时间的战斗机均为流线型飞机, 大多采用液冷式发动机。
在二战期间, 战斗机的发展达到了一个顶峰, 战斗机速度接近音速, 航程超过2000英里。世界第一架喷气式战斗机是由德国于1939年首先研制出的He-178型飞机, 它安装有德国的科学家冯·奥亨研制的喷气发动机。最早投入批量生产并转变部队喷气式的是英国的“流星”式战斗机和德国的梅塞施密特ME-262型战斗机。ME-262首次试飞在1942年7月18日, 时速达850公里, 这比当时所有活塞式战斗机要快得多。
另外, 美国F4U“海盗”、P-51“野马”、 F6F“泼妇”战机, 英国 “飓风”战机，日本“零式”战机, 苏联La-7战机等也都是二战中十分出色的战斗机。它们装备良好, 有雷达和电子设备, 能担负各种作战任务, 甚至可以在一定程度上决定整个战局的进程。
不列颠战役是二战中规模最大的空战, 此役德国空军总共调集了2669架飞机, 出动飞机共约4.6万架次, 投弹约6万吨, 炸死炸伤英国居民8.6万余人, 炸毁100多万栋建筑物。
在浩瀚的太平洋战场, 日本利用6艘航母载着360架飞机, 对美军太平洋最大的海军基地珍珠港发动了突袭, 两个小时内击沉美军战列舰、巡洋舰和驱逐舰共24艘, 几乎摧毁了美太平洋舰队的主力。
二战中, 直升机也得到了长足的发展。直升机的诞生, 有两个人物居功至伟:德国人海因里希·福克和美国人伊戈尔·西科斯基。
海因里希·福克设计了Fa-223龙式军用直升机, 这是世界上第一种技术成熟的军用直升机。该机安装一台1000马力的活塞式发动机，并安装一台电动救援绞车，机鼻装备一挺机枪，在宽敞的机舱内装置或在机腹吊挂多达1280公斤的货物，也可用于投掷炸弹或地雷，堪称军用直升机鼻祖。
“现代直升机之父”西科斯基则于1939年12月, 研制成功实用性直升机VS-300，采用单旋翼带尾桨结构，真正具备了现代直升机的飞行特点。VS-300成为美国陆军第一种直升机装备, 在二战期间共生产了130多架, 参加了一系列作战行动，用于运输、救护等任务。
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