经历一连串大战恶战，空4师终于在第三次轮战中“杀出来”了。
1951年7月10日开始停战谈判，但美方并无诚意。美韩陆军在三八线抢筑三道防线，海军在元山以东海面集中3艘航空母舰，空军增加兵力、改善装备。美军已在朝鲜战场上投入了20个空军联（大）队、1500多架飞机，并以F—86 E替换了F—86 A，以F—84 E替换了F—51。美国空军的基本战略是“封锁交通，孤立战场”。远东空军司令威兰决定以大部兵力，尽最大可能对交通运输线进行空中封锁。8月中旬起，美军一面以地面部队发动“有限目标”的夏季攻势和秋季攻势，一面以空中力量，趁朝鲜北部特大洪患之机，发起封锁铁路运输线的“绞杀战”。增加了每天的飞机出动次数、出动数量，活动十分猖狂。
在这种形势下，志愿军陆军压力很大，再三要求空军入朝作战。毛泽东主席明确指示，空军入朝作战只能“逐步前进”。
空军为了支援陆军作战，一面在清川江以北的院里、泰川、南市加紧修建机场，一面令空4师再赴安东作战，协同友军掩护志愿军后方的交通运输线，掩护修建机场。空4师遂于1951年9月12日第3次进驻安东进行作战。
空4师这次作战，与前两次大不相同。表面上虽说是实战锻炼，在友军的掩护下打中小机群，但是，这次是受苏军第64歼击航空兵军罗波夫军长的指挥，实际上承担着明确的作战任务，掩护交通运输线和机场的修建。不仅是无掩护的单打一路，独当一面，而且小中大机群都打。每日出动2至4次，全以团编队和师编队作战。作战规模越打越大，空战越打越激烈。
9月25日，大规模的激烈空战开始进入了高潮。当日全师出动4个团次编队，下午的空战打得最激烈。友军出动110多架到安州地区作战，12团出动16机协同作战。12团副团长李文模率编队飞到安州地区上空，与20多架F—86遭遇。这是12团第2次与F—86交锋，然而是第1次打大空战。
12团1大队首先接敌。由于缺乏大编队作战的经验，为编队付出的精力太大，搜索不严，发现敌机晚，被迫投入战斗，队形拉散，形成单机作战。但飞行员们不畏强敌，个个英勇拼搏。新飞行员刘涌新，只身与6架F—86搏斗，击落敌机1架后被敌击落，低空跳伞，壮烈牺牲。刘涌新也成为人民空军第一个击落F—86的飞行员。大队长李永泰被4架敌机围攻，飞机的各个部位均中弹，但李永泰以异乎寻常的沉着和毅力，驾驶着中弹30多发、负伤56处的飞机脱离战场，安全降落在出发的机场。所有目击者无不对他这种超人的毅力和精湛的驾驶技术表示敬意和赞叹。友军人员也风趣地叹道：这哪里是飞机，简直是“坦克”！
12团虽然在前两次作战中受到重大的挫折，但因飞行员的政治素质好，战斗意志坚强，一批新飞行员首次参加空前规模的大空战，敢于同老牌的美国空军交锋，说明12团是有战斗力的。
空军首长在9月26日的电报中指出：4师的飞行员虽然都是新手，胆敢参加双方200多架飞机的激烈空战，必须承认是个胜利。“对李永泰同志之飞机中弹30余发安返基地，应加以特别表扬。”
9月26日、27日又连续进行了两天激烈的大空战。美国空军连连受挫，大为震动。第5航空队惊呼：“这3天的战斗是历史上最长最大的喷气机战役……”因而决定“战斗轰炸机以后不在‘米格走廊’内进行封锁交通线的活动，此后只能对清川江与平壤之间地区的铁路线实施攻击。”
9月底，敌人发现清川江以北新修的机场后，非常恐慌，每日出动400至600架次的大机群，轰炸铁路和机场。空4师协同苏军积极抗击。在10月2日至16日的半个月中，为掩护机场和交通运输线，全师出动20个师编队，在新安州南北广大地区，单独或协同友军，与敌大机群进行了8次大规模的激烈空战。其中2日、5日、10日、16日的空战规模最大，双方都出动近200架次的大机群。由于全师对敌情逐渐熟悉和战斗动作的熟练，所以空战打得比较顺手。尤其是5日和10日两仗打得最好，不仅分别取得5比1和6比0的战果，而且保持了双机、4机协同和集中一域作战。
大队长华龙毅在10月10日的空战中，抓住战机连续攻击，先后击落敌机2架。10月16日空战中，他在飞机被击中、座舱盖被打穿、手臂中弹的情况下仍坚持战斗，又击落击伤敌机各1架。
空4师这次自1951年9月12日至10月l9日在安东作战的38天中，单独和协同友军战斗出动29次，508架次，空战10次。其中与近200架敌机的空战8次，以9月25日、26日、27日和10月2日、5日、10日、16日的空战最大最激烈。这次作战，除了取得击落敌机20架、击伤敌机10架的战果外，还协同友军将空中战线推到清川江以南，掩护了志愿军后方的交通运输线，取得了大规模空战的宝贵经验。当然，自己也付出了较高的代价，被击落14架，击伤4架。
毛泽东主席在10月2日看了空军呈送的关于空4师的战报后，欣然命笔给予嘉勉：“刘亚楼同志：此件已阅。空四师奋勇作战，甚好甚慰，你们予以鼓励是正确的。对壮烈牺牲者的家属应予以安慰。” 而流传开来广为人知的，就是“空四师奋勇作战，甚好甚慰”。
空军遵照毛主席关于“争取时间，使更多的部队参加实战锻炼”的指示，于10月12日决定另一支主力空3师进行实战锻炼，空4师遂于1951年10月20日转驻沈阳北陵机场总结经验，从而结束了第3轮作战。
空军首长对这次总结经验非常重视。10月27日来电指出：4师的空战经验，是人民空军破天荒第一次获得的宝贵财富，总结得好坏关系到整个空军。每个击落过敌机的飞行员，都要把自己的心得体验写出来，而且必须注意正反两个方面。
