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1943年8月底9月初，由于莫德尔第9集团军的协助，德国第4集团军保持了战线稳定，罗斯拉夫利继续掌握在德军之手。但所谓按下葫芦浮起瓢。第4集团军的麻烦尚未完全渡过之际，莫德尔自己也遭到大规模攻击。

对莫德尔下手的是红军布良斯克方面军，司令为波波夫大将。麾下有第50、3、11集团军，近卫第11、63集团军，由空军第15集团军支援。早在8月16日，斯大林就命令当时还在实施奥廖尔战役的波波夫，继续进攻以打垮德第9集团军。随后，波波夫应该冲到杰斯纳河，由布良斯克西北及以南实施强渡，夺取该河弯曲部的桥头堡并向戈梅利进攻。

迫于斯大林的严令，波波夫和友邻一道消除奥廖尔突出部后，几乎未经任何休整，就继续马不停蹄地攻击退据布良斯克的莫德尔。其间波波夫从两翼发动了多次进攻。可莫德尔的新防线除了三四道壕堑外，还遍布森林，大量伴着沼泽的河流西岸也构筑了阵地，居民点和交通路口到处都是支撑点。莫德尔本人又是防御专家，手握29个师的重兵，岂是那么好啃？

结果波波夫非但没有获得什么战果，损失已经很大的部队更是越打越少，至8月26日甚至出现了枯竭之势。因为后方拉得太远，弹药物资也日益不足。

本钱越来越少的波波夫只好另想办法。正好北部友邻的西方面军已有所进展，波波夫决心把主攻转到右翼，并借用西方面军战区内的基洛夫地域。调动必须通过德军严密监视的战线附近，第50集团军和第2近卫骑兵军只能在夜间行军，幸运的是其间没有出什么纰漏，夜行军速度还达到每晚30公里。

经过重新调整后，波波夫的具体部署为：

方面军右翼，第50集团军将从基洛夫西北的杜布罗夫卡附近出击，向南插入莫德尔的侧翼，与第3集团军一道制止基洛夫方向德军退向杰斯纳河对岸并就地歼灭。预计这一行动将削弱布良斯克森林东部的德军防御，则第3、第11集团军应利用时机转入进攻。

方面军左翼，第63集团军和近卫第11集团军攻击南北向的交通枢纽洛科季，以配合南侧中央方面军向切尔尼戈夫的迅猛进攻。

虽然波波夫在右翼建立了突击集团，却还是让左翼首先行动：9月1日，第63集团军发动进攻；第二天，近卫第11集团军也投入了一部兵力。而从9月3日—5日，波波夫在其余地段仅进行了一些战斗侦察。

这样的战斗持续到了9月7日。波波夫确信莫德尔的注意力已经被左翼红军所吸引，命令右翼第50集团军（博尔金中将指挥）发动进攻。为了达成突然性，红军仅进行了短时间的轰炸和20分钟急袭射击，随即就发起了冲击。进攻获得成功，很快突入德军纵深达70公里。为扩张战果，第2近卫骑兵军进入突破口，于11日强渡杰斯纳河，在右岸茹科夫卡地区建立桥头堡。苏联骑兵继续策马疾进，一气切断了斯摩棱斯克—布良斯克铁路线。

苏军的行动从北翼威胁着莫德尔的安全，呈现出迂回布良斯克的态势。莫德尔支撑不住，只得将第9集团军撤往杰斯纳河对岸。苏第15空军集团军追着莫德尔的撤退纵队不断轰炸，并袭击了杰斯纳河各渡口。

苏军第3、11集团军乘机发起进攻。第11近卫集团军也从布良斯克以南渡过杰斯纳河。布良斯克陷入被包围的威胁，迫使莫德尔继续撤退。9月17日，苏第11集团军夺回了布良斯克和别日察。

莫德尔已无法立足于杰斯纳河，只得奉克卢格之命撤向索日河和普隆尼亚河的“黑豹”防线。

9月20日，波波夫的整个布良斯克方面军都发起了追击。为了抢先进抵索日河，波波夫以第2近卫骑兵军、第1坦克军、一些反坦克炮部队和1个火箭炮旅组成方面军快速集群，由方面军副司令卡扎科夫中将指挥。快速集群来势凶猛，撤退德军往往来不及占据支撑点就被击溃。9月26日，集群先头分队已经进抵索日河畔的维特卡火车站，但兵力不多，无力建立对岸桥头堡。

与此同时，波波夫右翼的第50集团军也进入白俄罗斯境内，于9月26日解放了霍季姆斯克市。这是红军夺回的第一个白俄罗斯区中心城市。

10月1—3日前，布良斯克方面军陆续进抵索日河和普隆尼亚河，开始着手夺取右岸登陆场。布良斯克方面军还与南面进展迅猛的中央方面军一道，威胁着东线德军南北间的重要交通枢纽——戈梅利。

历时一个多月的布良斯克战役，红军投入兵力约53万人，造成纯减员13033人，伤43624人。莫德尔第9集团军上报的9月份损失为15488人。考虑到德军9月伤亡报告的整体失真，莫德尔的伤亡数字也未必可靠。但其左翼相当一部分损失，却与布良斯克战役无关。

波波夫的战役表现相当突出。在啃不动莫德尔防线的情况下，他借道友邻，以奇兵突破莫德尔的侧翼，乘其动摇之际，全面瓦解了对手的防御。但波波夫的兵力实在消耗过大，至战役尾声已后继乏力，使莫德尔有机会撤到“黑豹”防线，再次建起了完整的正面。但波波夫的战略成就已经够大了。他不仅夺回了布良斯克，而且在其击退莫德尔的过程中，中央集团军群在罗斯拉夫利和斯摩棱斯克方向的战线，也受到牵动而瓦解。