קצינים במטה הארמייה השישית העריכו כי לא ניתן יהיה להעביר אספקה לכוחות המכותרים בסטלינגרד באמצעות רכבת אווירית, משום שחישבו שלשם כך יידרשו 750 טונות אספקה ביום (מאוחר יותר ההערכה ירדה ל-500 טונות ביום). לדעה זו היו שותפים כמעט כל המפקדים הבכירים של הלופטוואפה באזור, כולל וולפרם פון ריכטהופן, פיביג ופיקרט. הם העריכו, שאין ביכולתו של הלופטוואפה לגייס מספיק מטוסי תובלה כדי לספק אפילו מחצית מהכמות הדרושה לחיילים המכותרים בכיס. לעומתם, מפקד הארמייה השישית פאולוס, וראש המטה שלו, ארתור שמידט, טענו שהארמייה השישית תוכל להסתפק ב-300 טונות אספקה ביום, משום שחייליה יוכלו להזין את עצמם באלפי הסוסים, שנותרו בתוך כיס סטלינגרד.
תוך זמן קצר שינה גם ישונק את עמדתו, והחל להתנגד לרעיון האספקה מהאוויר לכיס סטלינגרד, אולם היה זה מאוחר מדי. הרמן גרינג, מפקד הלופטוואפה, שראה בכך הזדמנות לשפר את מעמדו המידרדר בצמרת הנאצית, התחייב בפני היטלר שהלופטוואפה יוכל לספק 500 טונות אספקה ליום לכוחות הנצורים בסטלינגרד, והיטלר לא היה מוכן להסכים לנסיגת כוחות הציר מהעיר שהפכה לסמל.
כוחות ופיקוד.
הלופטוואפה.
האחריות על המבצע האווירי הוטלה על וולפרם פון ריכטהופן, שפיקד על צי האוויר הרביעי (Luftflote 4), והוא הטיל את משימת הארגון והביצוע על מרטין פיביג, מפקד קורפוס האוויר השמיני (Fliegerkorps VIII), שכלל שש כנפות תובלה ובהן 295 מטוסי תובלה. אלא שמתוך כוח זה ניתן היה להקצות רק כ-30 מטוסי תובלה לרכבת האווירית לסטלינגרד, זאת בשל נתוני שמישות נמוכים של כלי הטיס, שלעיתים אף היו נמוכים מ-30 אחוז. בנוסף, רבים מהמטוסים רותקו למשימות תובלה חיוניות, סיפקו את צורכי הקורפוס עצמו, או סייעו לפעילות הצי הגרמני בים השחור. לפי חישוביו של ריכטהופן, בשביל להטיס 500 טונות ציוד ביום לכיס סטלינגרד, בהתחשב בנתוני השמישות הנמוכים, היה צורך ב-800 מטוסי תובלה מסוג יונקרס Ju 52. באותו זמן מנתה כל מצבת מטוסי התובלה מדגם זה של הלופטוואפה 750 מטוסים בלבד, כאשר רבים מהם הועברו לזירת הים התיכון, כדי להוביל אספקה ותגבורות לכוחות הציר בתוניסיה במסגרת המערכה בצפון אפריקה.
לאחר כיתור כוחות הארמייה השישית בסטלינגרד, היו שדות התעופה טצינסקאיה ומורוזובסקיה-מערב שני הבסיסים האוויריים הגדולים הקרובים ביותר לסטלינגרד שנותרו בשליטת הגרמנים. הם נמצאו כמאתיים קילומטר מהעיר, ומשם היו אמורים לצאת גיחות האספקה לכוחות הגרמניים המכותרים.
כ-12,000 חיילים של הלופטוואפה, שרובם שירתו בדיוויזיית הנ"מ ה-9 נלכדו בכיס סטלינגרד. על מפקדם, גנרל-מיור פיקרט, הוטלה המשימה לדאוג לתחזוקה ולאבטחה של שני שדות התעופה הפעילים בשטח הכיס - פיטומניק וסרנגינו, כאשר פיטומניק היה הבסיס המצויד והמשמעותי יותר, והיווה את מרכז הפעילות של הרכבת האווירית. הוא כלל מסלולים ארוכים ורחבים, תאורת לילה וכן משואות ניווט רדיו לטיסת מכשירים. פיקרט פרס סוללת נ"מ כבדה להגנה נקודתית על שדה התעופה פיטומניק, והורה לשאר סוללות הנ"מ, שלא רותקו ללחימה נגד כוחות הקרקע הסובייטיים, להתמקד ביירוט מטוסים סובייטיים בדרכם לשדות התעופה הגרמניים בכיס.
עם תחילת הפעלת הרכבת האווירית לסטלינגרד, עמדו לרשות מפקד קורפוס האוויר השמיני, פיביג, פחות מ-90 מטוסי קרב שמישים לצורך הגנה על מטוסי התובלה הגרמניים מפני מטוסי הקרב הסובייטיים, וגם אלה הופנו לעיתים למשימות חיוניות אחרות.
חיל האוויר הסובייטי.
אלכסנדר נוביקוב, מפקד חיל האוויר הסובייטי ומפקד כוחות האוויר שפעלו בחזית סטלינגרד, פעל בתאום מלא עם נציגי הסטאבקה באזור סטלינגרד, גאורגי ז'וקוב ואלכסנדר ואסילבסקי. לקראת תחילת מבצע אורנוס תגבר נוביקוב את הכוח האווירי במרחב סטלינגרד עד לכדי שלוש ארמיות אוויר, שכללו ביחד כ-1,200 מטוסים, מתוכם 480 מטוסי קרב. ארמיות האוויר הסובייטיות כללו דיוויזיות מטוסי קרב, שהפעילו מטוסים מדגם LAGG-3, יאק-1 ו-יאק-7, וכן דיוויזיות מטוסי הפצצה, תקיפה וסיור, שכללו מטוסים מדגם פטליאקוב Pe-2, פוליקרפוב Po-2 ו-איליושין Il-2.
עם השלמת כיתור כוחות הציר באזור סטלינגרד, פיקח נוביקוב על יצירת מצור אווירי סביב כיס סטלינגרד. המרחב האווירי שמעל הכיס חולק לחמש גזרות, שלכל אחת מהן הוקצתה טייסת מטוסי קרב, ואילו המרחב האווירי מחוץ לתחומי הכיס וסביבו חולק בין שאר טייסות הקרב. עם תחילת הרכבת האווירית הוקצו כוחות נ"מ חזקים ליירוט המטוסים הגרמניים בדרכם, והוקמה טבעת סוללות נ"מ סביב כיס סטלינגרד, כאשר ריכוז גדול במיוחד של כוחות נ"מ הופעל באזור שבו עבר המסדרון האווירי של הרכבת.
נוביקוב גם הפעיל טייסת קרב ייחודית, אשר כללה את טייסי הקרב ואלופי ההפלות המנוסים ביותר, במסגרת המאמץ לפעול נגד הרכבת האווירית הגרמנית.
תנאי אקלים.
חורף 1942-1943 לא נחשב קשה ולא היה חריג מבחינת מזג האוויר, אך סטלינגרד נחשבה לעיר הקרה ביותר מהערים הגדולות בסביבה. בלנינגרד, למשל, הייתה הטמפרטורה הממוצעת 6.9- מעלות צלזיוס, בעוד שבסטלינגרד הגיעה ל-7.8-. התחזיות המטאורולוגיות דיברו על תנאי חורף קשים המתחילים מאמצע נובמבר ועד סוף מרץ, שבהם יש משקעי שלג תמידיים וסופות שלג תכופות, כאשר ברוב הימים הייתה העננות נמוכה מ-650 מטר. תנאים אלה דרשו מהלופטוואפה היערכות מוקדמת ותחזוקה רבה ושוטפת של המסלולים, כמו גם ציוד חימום ייעודי להתנעת מנועים בתנאי קיפאון, אך הקושי הגדול ביותר בתנאי מזג אוויר מסוג זה הוא הניווט ויכולת ההטסה. במרבית הימים נאלצו טייסי הלופטוואפה לטוס טיסת מכשירים עקב העננות הנמוכה, כאשר חלה החמרה במזג האוויר היה על הטייסים להמריא ולנחות באפס ראות ובימים של סופות קשות ביותר לא יכלו המטוסים להמריא כלל.
מהלך המבצע.
שלב ראשון - תחילת הפעלת הרכבת האווירית.
משימת התובלה הראשונה לתוך סטלינגרד התקיימה כבר ב-23 בנובמבר 1942, אך מבצע האספקה האווירית לארמייה השישית החל רשמית ב-24 בחודש, בהשתתפות תשעה מטוסי תובלה מדגם יונקרס Ju 52, שהצליחו להעביר לכוחות הנצורים 75 טונות אספקה בלבד. כמות דומה הועברה גם ב-25 בחודש. בימים הראשונים להפעלת הרכבת האווירית, הטיסו מטוסי התובלה בעיקר דלק ותחמושת, משום שלכוחות הנצורים היה עדיין מלאי מזון מספיק והייתה להם גם אפשרות לאכול חלק מהסוסים שלהם (אמנם חלק גדול מהסוסים, ששימשו את הארמייה השישית לצורכי תובלה, נשלחו ממערב לנהר הדון לפני תחילת מתקפת הנגד הסובייטית, אך בתוך כיס סטלינגרד נותרו עדיין אלפי סוסים). אף על פי כן, לא הייתה הרכבת האווירית מסוגלת לספק אפילו חלק קטן מהצרכים של הארמייה השישית. למשל, התחמושת שהוטסה לסטלינגרד ב-25 בנובמבר היוותה רק שישית מהכמות שצרכו הכוחות הנצורים באותו יום.
טייסות הקרב שנועדו להגן על מטוסי התובלה סבלו מתנאי מזג אוויר קשים שגרמו לתנאי ראות קשים ולמספר ניכר של תקלות טכניות. מטוסי התובלה יכלו לטוס בתנאים אלה תודות למכשור ניווט ייעודי, אך מטוסי הקרב לא היו מצוידים במכשירים כאלה ולכן התקשו לנווט, אך הבעיה הגדולה ביותר הייתה חוסר היכולת של המערכת הלוגיסטית של הלופטוואפה להעביר אספקה לטייסות הקרב של קורפוס האוויר השמיני, שכן, בניגוד למטוסי התובלה, טייסות הקרב לא קיבלו תגבור, אלא רק לקראת סוף המבצע. מטוסי הקרב המלווים חולקו לשני כוחות: כוח המשימה הראשון, "המוסר", ליווה את מטוסי התובלה משדה התעופה ועד אזור ההנחתה, וכוח המשימה השני, "המקבל", פגש את מטוסי התובלה מעל סטלינגרד וליווה אותם בדרכם חזרה לבסיסם. כמו כן, הוצבה טייסת קרב אחת בשדה פיטומניק, כדי לסייע בהגנתו מתקיפות מטוסי האויב.
בחמשת הימים שבין 26 ל-30 בנובמבר הטיסו מטוסי התובלה כ-300 טון אספקה בסך הכול, כמות שגרינג התחייב לספק ביום אחד. תנאי הראות היו קשים במיוחד ולעיתים קרובות נאלצו מטוסי התובלה לבצע נחיתות והמראות ללא ראות כלל. אף שאנטנת השידור בשדה פיטומניק עזרה לטייסים לנווט, הסתיימו רבות מאותן טיסות בהתרסקות ובאובדן הצוות. צוותי הקרקע בשדה היו מיומנים ולרוב הצליחו לפרוק ולהעלות משא, לפנות שברי מטוסים ושלג ולהשמיש מטוסים לטיסה בסבבים של שעתיים, אך יכולותיהם לא נשתמרו לאורך זמן והידרדרו בהדרגה עקב השפעות הקור, הרעב והמורל הנמוך.
ריכטהופן דיווח לגרינג על אי יכולתו להעביר אספקה לכוח הנצור עם כמות המטוסים שברשותו, וגרינג התיר לו לגייס כל מטוס תובלה פנוי. הלופטוואפה גייס למבצע מספר כנפות תובלה מגרמניה עצמה, בהן גם כנפות שהטיסו את מטוסי היונקרס Ju 86 המיושנים. מספר כנפות הפצצה שהטיסו מטוסי היינקל He 111 סופחו אף הן לרכבת האווירית ופעלו כמטוסי תובלה, ומספר בכירים במפלגה הנאצית אף תרמו את מטוסיהם הפרטיים. אפילו מטוסי התובלה הניסיוניים מדגם יונקרס Ju 290 גויסו להשתתף ברכבת האווירית.
בנוסף, התרוקנו למעשה בתי ספר לטיסה משארית המטוסים מרובי המנועים, והחניכים ומדריכי הטיסה שהיו זמינים גויסו למבצע, בדומה לגיוס קודם שבוצע לזירת צפון-אפריקה. מטוסים וצוותים אלה, בעיקר הפחות המנוסים, סבלו משיעור תאונות גבוה בדרך לחזית עקב טיסות ארוכות בתנאי מזג אוויר קשים ושדות תעופה שלא תוחזקו כראוי עקב החורף. העברת המטוסים הנוספים, שגויסו לצורך הרכבת האווירית, מגרמניה לאזור סטלינגרד, הייתה מבצע מסובך למדי, ורק לקראת 5 בדצמבר 1942 הצליח הלופטוואפה להשלים את היערכותו לקראת מבצע הרכבת האווירית. בסך הכול נאספו 20 טייסות של מטוסי תובלה ומפציצים לטובת המבצע.