艦政課から軍事調査部に転じ、調査隊第2班の班長となった佐々木は、1937年（昭和12年、康徳4年）6月19日の乾岔子島事件勃発当日、興凱湖を起点に、烏蘇里江を北上、その後虎頭（虎林）、饒河、撫遠等を経て、黒竜江に入り、これを遡航して黒河に達し、40数日に及ぶ危険な調査任務を無事完了させた（調査隊第1班は班長の法亢盛孝陸軍上尉以下全員が戦死を遂げた）。調査結果は、張鼓峰事件、ノモンハン事件と続く関東軍の対ソ作戦計画に使用された。