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    1912年，米切尔到陆军总参谋部任职。在负责陆军工作的岁月里，米切尔一直没有放弃对美国空军的研究。1916年，在陆军总参谋部的任期一满，已经是少校的米切尔就迫不及待地报考了弗吉尼亚州的柯第斯航空学院，并独自承担训练费用。凭着在校期间的优异表现，1917年，米切尔在众多学生中脱颖而出，被军方派遣到欧洲战场担任航空兵观察员。

    正值一次世界大战最为紧张的时刻，接到选派命令的米切尔迅速奔赴战场，担任美国驻法国远征军空军军官。终于得到了在他热爱的空军事业中大展宏图机会的米切尔很快就在工作中显示出他突出的才能，只用了不到两个月的时间，就晋升为中校。

    除了美国，欧洲战场上还活跃着英国、法国、意大利等各空军强国的飞机，这为米切尔提供了一个难得的实战研究机会。在和这些部队朝夕相处的过程中，通过对他们的悉心观察，米切尔很快就总结出各国部队的作战优势，法国空军的效率高，英国空军的战术观点先进……为了能尽快学到这些国家空军的优势，米切尔不顾及中校的头衔，虚心向各军负责人求教。当时，他最看好英国皇家陆军航空司令，后来的英国空军元帅休·特伦查德将军。他曾经几次三番不请自到地跑到特伦查德的工作地向他请教问题，甚至用了整整3天的时间，像影子一样跟在特伦查德的身后，看他指挥作战，学习他的空军思想。米切尔善于思考，善于提问，很快就掌握了特伦查德的军事理论精华，他还亲自深入普通英军之间，听取他们对战争的意见。

    渐渐地米切尔就形成了自己独特的航空思想，认为航空队应被分成不同的两种类型，一种是战术型，一种是战略型。前者侧重具体的战斗，后者侧重战争的全局和长远目标。他的这一思想的先进性很快就在实际对抗中得以显现。1917年7月，就在米切尔升任中校后不久，他的上司潘兴将军就策划了一场由59个战术机中队参与的大规模作战计划。参与这个计划的59个中队中有39个侦察机中队，15个战斗机中队和5个轰炸机中队，以侦察机为核心以便更好地配合地面部队作战，加强空中的侦查监控力量。

    米切尔对这种安排提出异议，他认为要想尽快控制战争局面，掌握战争主动权，没有什么比牢牢控制住制空权更有利的了，他建议在这59个飞行中队的基础上，再建立一个由201个飞行中队组成的战略空军。这个战略空军要有41个侦察机中队、55个轰炸机中队和105个战斗机中队，以便把力量集中在攻击上，而侦查则只是这支部队的辅助任务。

    米切尔的意见很快就得到了大家的支持，1917年，美国远征军空军部队正式采纳了米切尔的意见，于同年年底组建了战略空军组。