九一八事變後，社會各界都在呼籲國民政府早日對日宣戰，出兵收復東北，國民政府對於日本的政策也在逐漸發生改變。
到了第二年，淞滬抗戰爆發後，國民政府強硬表態：“夫日本所以繼續使用此等暴力政策，且進而愈厲，（國民政府）決不以尺土寸地授人。”
在這兩次事件中，蔣介石注意到了空軍的作用，這也是與日本人交戰後的血的教訓。於是，1933年，蔣介石即命令周至柔前往歐美，考察歐美各國的航空技術。
而對於周至柔而言，當時最重要的就是學習英語了。因為此前的周至柔對於儒家經典，特別是經史子集最感興趣，對英語這個時髦、新穎的語種不甚注意。此時為了方便在考察時與洋人交流，周至柔只能惡補外語知識。
就這樣，等到1934年周至柔歸國後，他已經成為當時國民黨內為數不多的熟悉空軍的將領了。
當時周至柔向蔣介石陳述道：“未來戰爭必有飛機參戰，中國民眾需深入瞭解飛機，才能謀全民族的自衛。”
後來周至柔的搭檔，同樣考察過歐美七國航空建設的毛邦初將軍，更是直言道：“查各國鑑於空中武力在未來戰爭上地位重要，對於空軍均極謀發展。”
因此，1934年5月，蔣介石成立了全國航空建設會，自兼委員長，任命周至柔為常務委員。同時，周至柔還被任命為中央航校校長，負責在杭州筧橋訓練飛行員。
周至柔的到來，給當時中國的空軍事業翻開了新的一頁。
周至柔剛剛到任的時候，很多軍校同僚都瞧不上他，說陸軍軍官出身的傢伙，哪裡懂得擺弄飛機這麼時髦的東西？
為了服眾，周至柔決定給他們露一手。
在學會了飛行以後，周至柔每日勤學苦練，然後通知軍校裡所有教官和學員集合，親自駕駛著飛機，完成了一個又一個高難度動作。要知道，當時的周至柔已經快40歲了，而飛行員的身體素質要求非常高，40歲的人基本上早就退役了。
後來，周至柔還先後出版了《國防與航空》、《世界空軍軍備》兩本書，前者記錄的是他考察歐美等國的所見所聞，後者介紹了當時世界各國空軍的發展現狀。對於當時的中國空軍而言，這都是極其難得的書籍，因而後來被定為教材加以使用。
飛行員努力教可以教好，可沒有飛機怎麼辦呢？周至柔決心要採購飛機來充實空軍。
此時的中央空軍剛剛成立兩年，其實力甚至還不如廣東空軍，例如在此前的一二八事變中，中央空軍因為實力有限，不得不向廣東空軍借兵。
當時中國用的飛機，可以用五花八門來形容，各國的都有。由於宋子文卸任財政部長，孔祥熙上任後，決心要切掉中國空軍與英美的關係，與意大利合作。周至柔早在歐洲考察時，就得知意大利的飛機質量雖然好，但意大利人可能不會專心幫助中國發展空軍，而中國此前用的美國戰機也是相當不錯，比較權衡之下，周決定購買美國的霍克三型飛機。
因此，周至柔找到了宋子文，希望他出面，幫助中國購買一批美國的霍克三型戰機，以替代老式的霍克二。
周至柔選擇的這個時機非常好，那時候正值蔣介石五十大壽，空軍在籌辦獻機慶典時期，周至柔極力與宋子文、孔祥熙，以及當時實際掌控空軍事務的宋美齡進行勸說後，最終得到了一批霍克三型戰機，極大地增強了當時中國空軍的戰鬥力。
也正因如此，在1937年淞滬會戰爆發後，剛剛成立五年的中國空軍，得以與日本陸海軍航空兵一戰，並且取得了八一四空戰大捷等傑出的勝利，周至柔是功不可沒的。甚至可以說，如果沒有周至柔在空軍的努力，中國的抗戰大業將會更加艱難。
1946年，國民政府成立空軍總司令部，周至柔就是眾望所歸的第一任空軍總司令，堪稱中國空軍的重要創建人。
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