1960年1月,经国防部批准,空军第15航校改称空军高级专科学校。
1960年5月,兰空在西安组建第一支雷达兵部队——雷达第253团(1961年5月改为雷达229团)以及工程兵第7团、通信团。
1961年2月,空军工程学院在陕西西安组建,空军副司令员常乾坤空军中将兼任院长和政治委员,该院主要负责培训中队以上航空工程机务干部、机场建筑工程技术干部和气象工程技术干部。
1962年2月22日至6月10日,兰空参谋长刘光汉(后任兰空副司令员)率指挥班子38人赴空军汕头指挥所,参加轮战锻炼。同年3月,南京军区空军副司令员杨焕民空军少将调任兰州军区空军司令员。
为支援中印边境西段军事斗争,担负应急空投和边境巡逻任务,1962年6月,兰州军区空军在新疆和田开设临时指挥所,7月19日,组建和田指挥所(师级),组织空13师伊尔-12、伊尔-14型运输机于8月6日至9月3日,先后6次进行昆仑山试航,开通了和田至康西瓦和阿克赛依湖地区的航线。11月20日,为加强对进藏空军部队的领导和指挥,又在西藏组建了兰州军区空军拉萨指挥所(师级)。
50年代末至60年代初的国土防空作战中,兰州军区空军所属空25师、独4团,先后改装杜-2II型飞机和杜-4II型飞机各4架,组成夜间作战小分队,转战河北故城、河南郑州等机场,执行夜间防空作战任务,虽未取得直接战果,但对敌侦察机造成了极大威胁。其间损失杜-2II型飞机2架,牺牲空25师74团大队长尚德赞等空勤人员8名。
1963年3月16日,经总参谋部批准,驻陕西三原的空军高级专科学校更名为空军第4高级专科学校。1965年7月19日,更名为空军技术学院。
1963年7月至9月,根据空军的统一部署,兰州军区空军方升普副司令员牵头负责,统一组织指挥空3基地所属4个地空导弹营集中在陕西西安、咸阳、宝鸡地区设伏,准备打击窜犯我西北战略纵深的美蒋U-2型高空侦察机,由于敌机加装电子预警设备,此次作战未取得战果。
1964年9月,空军党委授予常年坚持驻守海拔5700多米高原,圆满完成各项任务的空军雷达兵第41团4连“昆仑山上好四站”荣誉称号。同月,空军党委还授予航空兵独立第4团修理厂修理中队“修理工作尖兵”称号。
1964年10月13日,军委空军命令,为有效组织歼击航空兵部队和高炮部队执行兰州等要地防空任务,保卫国防工业体系,在兰州开设指挥所。由杨焕民司令员牵头负责,组成空军兰州指挥所,作为兰空派出机构,负责甘肃、青海地区日常防空作战指挥。10月15日,兰指正式开始担负战备值班任务。空军为此抽调2个歼击航空兵大队(团)和1个夜航独立大队,先后进驻西北地区,担负昼夜防空作战值班任务。并在兰州等地区周边部署了高炮独4师2个导弹营,3个陆军夜战高炮团,统一归兰空指挥。
1964年11月25日,空军第9军在乌鲁木齐正式组建,空6军副军长王香雄空军大校(后任济空副司令)任军长,南空政治部副主任于应龙空军大校(后任济空副政委)任政治委员。
1965年2月23日,根据空军司令部命令,为加强西北地区防空力量,新组建空军高炮第11、第12、第13等3个师,其中高炮第11师由南京军区空军负责组建,高炮第12师由沈阳军区空军负责组建,高炮第13师由广州军区负责组建。同年4、5月间,分别进驻甘肃玉门、青海海晏和甘肃兰州,展开部署,担负要地防空作战值班任务。
1965年4月5日,空军独4团扩编为空军轰炸航空兵第36师,下辖第106、第107、第108三个大队,装备苏制杜-4、杜-16型轰炸机。5月14日,该师副师长李源一机组驾驶苏制杜-16型轰炸机4251号,成功完成我国第一颗空爆原子弹试验任务。
1965年7月8日,空军第3训练基地奉命由辽宁黑山调驻甘肃山丹,该基地主要担负空军地空导弹、高炮部队改装训练和实弹打靶保障任务。
1965年10月19日,根据空军司令部命令,沈阳军区空军所属歼击航空兵第6师及所属普兰店基地调归兰州军区空军建制。次年4月,进驻甘肃临洮机场,开始担负昼夜防空战斗值班任务。该师是兰空所辖的第一支歼击航空兵部队。
1965年10月和1969年1月,根据空军命令,兰空先后将驻四川地区部队及拉萨指挥所移交成都军区空军指挥所。
1966年3月29日,奉空军命令,空军第5航校校部率第3训练团由山东济南进驻甘肃武威、张掖,划归兰州军区空军建制领导。此前,1963年3月,5航校第4训练团已提前进驻武威机场。
为增强夜间防空作战保障力量,1966年4月下旬,空军调探照灯6团进驻西北,担负防空作战值班任务。同年6月6日,空军高炮49团由河南三门峡进驻陕西西安,归兰州军区空军建制。1969年10月,空军高炮第17师师部在西安组建,高炮49团划归该师建制,另组建高炮第50团。
除高炮部队的组建扩编外,兰空于1966年4月底从所属20余个单位抽调人员,开始筹组地空导弹部队,5月28日,在西安组建第一支地空导弹部队--空军高射炮兵独立第18营。
1966年6月和1967年8月,高炮49团先后两批共抽调9个建制连队667人,分别配属空军高炮1师、高炮9师入越参战,在谅山、宋化、先安和外苏等地区执行保卫桥梁、车站和机动设伏对空作战,共参加战斗56次,与友邻部队共同击落敌机20架,击伤多架。全团共有24个建制班、排和60名个人荣立三等功。
1967年4月12日,组建兰州军区空军航空兵独立运输团。
1967年5月,高炮11师33团抽调158人,高炮13师38团抽调433人,随高炮5师入越轮战。同年8月,高炮13师39团1、2个营也随高炮9师入越轮战。
同年6月17日,空36师108大队政委徐克江机组驾驶苏制杜-16型轰炸机21号,顺利完成我国第1颗氢弹空投试验任务。氢弹爆炸后,空6师16大队3中队7架歼-6型歼击机从马兰场站起飞,分4批进入爆炸现场,圆满完成穿云取样任务,受到空军通令嘉奖。
1967年7月1日,空军第8航空学校在新疆柳树泉组建,下辖3个飞行训练团,分驻柳树泉、骆驼圈、哈密。
1967年12月3日,空军地空导弹第5团在甘肃兰州组建,这是兰空所属第一个地空导弹团。到1976年初,又先后在甘肃兰州、甘肃山丹、陕西咸阳、陕西西安等地组建了地空导弹第8、第14、第17、第25团。
1968年1月,空军高炮1师、高炮14师分别由沈空、北空调驻西北,划归兰空建制领导。高炮1师进驻甘肃兰州,高炮14师进驻甘肃玉门,分别担负保卫兰州城区、404厂等重点目标的任务,高炮13师由甘肃兰州移防青海海晏,接替高炮12师担负221厂要地防空。高炮第11师、第12师由兰空调出,划归北空和沈空。
1968年12月,经中央军委批准,兰州军区空军政治委员关盛志调任济南军区空军政治委员,兰州军区空军副政治委员刘镇任兰州军区空军政治委员。
1969年2月,空军撤销12所地面院校,其中包括驻西安的空军通信学校(1974年重建);同年11月9日,根据空军司令部通知:驻西安灞桥的空军工程学院改称空军第1专科学校(1975年5月复改为空军工程学院)。驻陕西三原的空军技术学院改称空军第2专科学校(1975年5月复改为空军第二高炮学校)。
1969年5月27日至6月3日,原沈阳军区空军所属歼击航空兵第37师奉命由辽宁丹东调防新疆。该师师部及第109、第111大队由师长林基贵(后任北空司令员)、政治委员韩铁良(后任兰空政治部副主任)率领,分别进驻乌鲁木齐及马兰机场。
同月,驻陕西临潼的空军轰炸航空兵第25师与武汉军区空军所属轰炸航空兵第23师对调,空23师进驻临潼,空25师调驻河南李新店。
1969年6月17日,经总参批准,兰空驻西安情报总分站和兰州指挥所移驻甘肃榆中县夏官营,统一负责兰州地区对空作战指挥任务。同年11月15日,兰空机关由西安迁至夏官营。原兰州指挥所随即宣告撤销。
1969年10月3日,空军歼击航空兵第46师在甘肃鼎新成立。该师由原空军独立第9大队和沈空16师第17大队为基础组建,李春吉任师长,刘自力任政治委员,下辖第136、第137两个大队,装备国产歼-6型飞机。
1969年11月10日,空军第11军军部在陕西西安成立,空36师师长姚长川任军长,空军第1航空机务学校政委张廷桂(后任兰空顾问)任政治委员。

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