早在1936年年底，國民黨政府軍事委員會參謀本部制定的1937年度《國防作戰計劃》就向空軍要求，“準備全部轟炸機襲擊敵之佐世保、橫須賀及其空軍根據地，並破壞東京、大阪等大城市”。可是自從退守武漢後，不僅中國的空軍基地離日本越來越遠，而且能擔此大任的飛行員也都犧牲得差不多了。
這不是說去就能去的事。開戰後，，中國空軍在與日本的血戰中傷亡慘重，其中能夠飛抵日本本土的薩伏亞S-72和馬丁-139WC等兩種遠程轟炸機幾乎損失殆盡。無奈之下，國民黨政府將目光瞄向了海外。1937年9月，中國軍事代表團赴蘇聯洽談軍事援華問題時，收到蔣介石密令：務必購買可以用於轟炸日本的重型遠程轟炸機。中方代表團第一次提出購買100架重型轟炸機，後又提出購買50架， “若協定款項不夠，則可減少其他兵器之購置，並可付現金”。可蘇方一直避而不談、一再推延，最後此事不了了之。至於蘇方爲何不賣超重轟炸機給中國，原因可能有二：一是超重轟炸機乃當時尖端武器，是國防機密，蘇聯不願提供;二是此前蔣介石與蘇聯不睦，蘇聯怕蔣事後將這些轟炸機用於反蘇。
到了10月，蘇聯對華軍事援助協議中的6架TB-3重型轟炸機按計劃飛抵蘭州。11月30日，其中的5架飛機由蘭州經漢口飛南昌進行對日轟炸前的臨戰訓練。不幸的是，日方早就得到南昌有中國重型轟炸機的情報。12月13日，日機空襲南昌機場，當場炸燬2架，炸傷3架。後來，由於數量有限且備件缺乏，TB-3在中國戰場只作爲運輸機使用，再也沒有擔當任何戰略轟炸任務。
蘇聯轟炸機是靠不上了，只能靠自己了。可所剩的幾架馬丁-139WC轟炸機、伏爾梯V-11輕轟炸機和諾斯洛普G2E輕轟炸機都在“國際飛行中隊”手上。讓他們去?外籍飛行員搖頭，說執行這項任務風險太大，並提出了要10萬美金的天價酬金。蔣介石一聽立馬拒絕，倒不是湊不出那麼多錢，主要是丟不起那人。聽說這事，刺激了蔣介石身邊的一個人，他站出，大聲說：“我去!”
他就是編在委員長侍從室的專機飛行員徐煥升上尉，自告奮勇地提出由他負責重新組建遠征轟炸隊的具體事宜。徐煥升受領任務後，立即通知在漢口待命的預先選拔好的第十四中隊人員立即飛抵成都報到。1938年3月，中國空軍重新制定了《空軍對敵國內地襲擊計劃》，選定日本佐世保軍港和八幡市爲轟炸目標。爲了保證任務的順利完成，航委會又從飛行第八大隊第十九中隊調來以佟彥博副隊長爲首的數名優秀飛行員，與先前到達成都的飛行員會合，成立特別轟炸中隊。
特別轟炸中隊在徐煥升的率領下，對當時中國空軍現有的各種轟炸機進行了深入細緻的考察，最後選定只能是馬丁-139WC轟炸機。可這些飛機在外國飛行員手裏，怎麼辦?陳納德就讓徐煥升出馬，與他們接觸。對方只知道徐煥升是給蔣介石開專機的，而這位長江口崇明島出生，江蘇醫學院肄業，後人黃埔軍校第四期、中央航空學校的“天子御駕”，平時又總是一襲長袍，文質彬彬，讓人覺得他就不是一個軍人。所以他很快取得了這些老外的信任，拿到了馬丁-139WC轟炸機的資料。
而後，中國空軍拉了一次空襲警報，並通知老外飛行員們迅速離開飛機。等他們一離開，徐煥升馬上讓地勤人員把飛機的油料全部卸除。第二天，等老外們返回時發現，自己被禁止接近飛機，徐煥升宣佈：馬丁-139WC轟炸機即日起全部由第十四中隊接管。老外們才如夢初醒，有惱的、有怒的、有狂呼的、有要大鬧一番的。徐煥升明白他一個人吵不過這麼多人，只是看着他們，然後一轉身走了。
回去後，他給老外們寫了一封公開信：我所做的一切，都是奉命而行。作爲我本人，其實對你們相當敬佩，感謝你們曾幫助我國抗戰。關於今天的事，我希望你們不要輕易掏槍動粗，否則只會違揹你們善良的美德。你們必須心平氣和下來，因爲你們在這裏的任務已經結束了。老外們讀完這封情真意切又義正詞嚴的信，知道他們沒有要價的資本了也只得作罷。這件很難擺平的事就這麼搞定了。
特別轟炸中隊在成都鳳凰山基地開始了臨戰訓練，並對馬丁機的性能進行摸索和適應。在訓練過程中，徐煥升發現：馬丁-139WC雖然性能良好，威力巨大，但最大航程還是飛不到日本的中部。計劃返航途中在寧波基地加油，極可能遭到日本人的追擊。而且，僅靠眼下這兩架飛機投擲炸彈難以取得震懾效果。於是，特別轟炸中隊請示航委會，修改原定計劃，以兩架轟炸機攜帶傳單空襲日本，宣揚我國抗戰意志，警告日本當局，並且爲了縮短航程，將目標改爲九州島的長崎、福岡和北九州島。把彈艙改造成油箱，加大油量就可以保證續航時間。國民黨政府同意了他們的建議。
徐煥升所以敢接這個“活兒”，是因爲他早在德國留學時就接受過長途飛行訓練，他明白這種長途飛行最重要的是要保持無線電通信，於是，他專門集中一批電子技術人員，設計出一套地空連鎖電臺網。經過兩個月的準備，終於在梅雨季節裏等來了一個風清的月夜。1938年5月19日15時23分，由1403號機組(徐煥升正駕駛、蘇光華副駕駛、劉榮光領航、吳積衝通信員)和1404號機組(佟彥博正駕駛、蔣紹禹副駕駛、雷天春領航、陳光鬥通信員)，還有安錫九、陳衣凡駕中國空軍僅剩的最後1架He-111A轟炸機1902號擔任後勤支援運輸。3架戰機從漢口王家墩機場起飛，兩個小時後降落在寧波櫟社機場，補充燃油。23時48分，其中兩架戰機出發去日本執行任務。
攜帶有100萬份傳單的機隊自寧波出海後先轉向南，然後向日本九州島飛行。5月20日凌晨2時25分，飛機到達日本九州島上空，飛行員查證航圖，推定底下的城市就是長崎，於是飛機開始降低高度。機組的通信員陳光鬥和吳積衝立刻將各自尾艙內裝滿傳單的麻袋搬出，當飛機高度降至3500米時，一份份傳單像白色的炸彈一樣從艙板下的方形射擊孔投出，紛紛揚揚地飄向日本的領土。而後，雙機編隊以長崎爲起點，向北做大圓弧飛行，於凌晨3時45分到達福岡上空，在撒下傳單的同時投下了照明彈。4時32分，編隊飛越北九州島上空，將剩餘傳單全部投放。之後，飛機掉頭向西南沿原路返回。5時23分，雙機飛到公海。日本人毫無防備，徐煥升遇到的最大險情，來自一包宣傳單。機組人員在搬運的過程中，有一包滾到了駕駛艙裏，正好卡在駕駛杆與艙板之間，馬丁轟炸機一個勁往下衝，幾近失控。徐煥升冷靜地迅速移開麻包，重又控制了飛機。
8時40分，1404號機經寧波在江西玉山機場降落。9時24分，1403號機經臨海在南昌着陸。9時30分，所有機隊人員接到通知前往漢口會合。11時 30分，兩架馬丁-139WC轟炸機在空中編隊後，降落在漢口王家墩機場。機場上歡迎的羣衆人山人海，國民黨政府行政院院長孔祥熙、軍政部部長何應欽等也到機場迎接。5月22日，周恩來、陳紹禹(王明)、吳玉章、羅炳輝等代表中共中央和八路軍辦事處親自到國民黨空軍司令部，對凱旋的飛行員進行慰問，並贈送錦旗一面，上面寫着八個大字：“德威並用，智勇雙全。”周恩來還發表了講話，讚揚他們的成績和英勇行爲，並與徐煥升和佟彥博合影留念。中國空軍“轟炸”日本本土極大地鼓舞了全國人民的士氣。全國各大媒體紛紛對此進行報道。著名的《抗戰》三日刊在5月23日第74期上刊出了鄒韜奮的《空軍遠征日本與新的抗戰力量》文章，該刊著名評論家餘仲華在同期的“戰局動向”欄目中也指出：傳單給日本一個警告，百萬張傳單可以變成百萬噸炸彈!《大公報》也於5月21日在頭版刊出《空軍夜襲日本》的社論。
英國《新聞記事報》社論稱：“中國空軍日前飛往日本散發傳單，喚醒日本人民推翻軍閥，此事意義重大，亦饒有趣味。”蘇聯《莫斯科新聞》也不吝讚美之詞：“中國空軍在抗戰中佔重要地位，在未來無疑將充當更爲重要的角色。”其他世界主流媒體也認爲，中國空軍夜襲日本本土，徹底打破了“大日本神聖領空不可入襲”的妄言，狠狠地滅了日本帝國主義的囂張氣焰，極大地鼓舞了世界人民的反法西斯鬥爭。中國飛行員的良好形象也得到了充分展示，尤其是指揮官徐煥升獲得了外國同行的“世界一流飛行員”的美譽。6年後，美國《生活》雜誌刊登世界著名的12位飛行員的照片，徐煥升位列其中。照片上標明：“徐煥升是先於美軍杜立德將軍轟炸日本本土的第一人。”
