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大食人在阿姆河和锡尔河河间地区的渗透，终于使大食帝国和大唐帝国两国间矛盾激化。这时，高仙芝身为安西四镇节度使，开始了雄心勃勃的扩张计划。他屠戮石国，诸胡震怒，招来了大食国的军dui，怛罗斯之战爆发了。
怛罗斯之战是大唐的势力与来自阿拉伯帝国的势力在中亚诸国相遇而导致的战役。怛罗斯所在地在葱岭以西、接近哈萨克斯坦塔拉兹的附近地区。战役的发生时间在公元646年7月-8月。怛罗斯战役是一场古代历史上最强大的东西方帝国间的直接碰撞。
怛罗斯之战，唐朝主将是?高仙芝，副将李嗣业，别将段秀实，兵力为安西都护府二万唐.军，外加盟军拔汗那以及?葛逻禄部一万人。
怛罗斯之战出动安西都护府八成以上的兵马，高仙芝对即将和阿拉伯的大战很重视。唐.军虽是马步混合部队，但是步兵均有马匹，平时以马代步，作战的时候才下马作战，行军速度较快。
大唐.军dui无论装备、素质、士气还是将帅能力都达到了冷兵器时代的一个高峰。唐.军野战常用的阵形之一是“?锋矢阵”，冲在最前面的是手执陌刀（一种双刃的长柄大刀）、勇猛无畏的轻装步兵，接着是步、骑兵突击，后列则有弓弩手仰射，直到完全击溃对方。陌刀的攻击力极为可怕，列阵时“如墙而进”，肉搏时威力不减，李嗣业便是一员善使陌刀的猛将。骑兵方面则是轻重骑兵结合，一般使用马槊和横刀。大唐改进了冶炼技术，使铁制战刀更加锋锐。
唐.军的铠甲抛弃了魏晋的具装铠，演变为以明光铠为代表的唐十三铠，重量更轻，但防御力却有所提升。另外唐.军的抛射兵器——弩，hua夏的弩早在秦汉时期便已独步天下，到了唐朝更加成熟完善，其射程与威力远非寻常弓箭可比。为了弥补弩射速低的缺点，秦汉以来的军阵中一直是弓弩兼有。唐.军一般使用四种弩，伏远弩射程三百步，擘张弩射程二百三十步，角弓弩射程二百步，单弓弩射程一百六十步，在不同范围均可以形成威胁。阿拉伯军dui在这方面显然逊色不少。高仙芝在与阿拉伯大军对战之前围攻怛逻斯城时，还使用了车弩，也就是后世所称的床弩。车弩“十二石”强弩，以轴转车（即绞车）张弦开弓，弩臂上有七条矢道，居中的矢道搁一枝巨箭，长三尺五寸，粗五寸，以铁叶为翎，左右各放三枝略小的箭矢，诸箭一发齐起，所中城垒无不摧毁，楼橹亦颠坠。
高仙芝率领的唐.军的编成装备是这样的：唐.军的主力部队是步骑混成的，其一个标准的军团包括步兵12500人，骑兵5000—6000，辎重兵1000—2000，一支这样的部队合计约两万人马。其中，12500名步兵中，甲兵7500名，主要使用明光甲。
在7500甲兵中有2500名陌刀兵，这些陌刀兵每人在两腰分别挂有弓一把、箭30，背后交叉插有长柄陌刀一柄，长枪一条。此外5000甲兵也同有弓一把、箭30，枪一条，短柄重刀一把。
唐.军弓弩配备率达到120%，每名士兵都配有三件以上的武器。这与秦汉军dui相比，火力强出了3—5倍，冲击力也大有提高。
为了配合骑兵完成对运动速度快，而路途又远的游牧军dui，唐.军主力兵团的步兵部队都是坐车马机动的，而不是徒步。在到战场时才下车列阵作战。
唐.军骑兵与此前南北朝时有所区别。南北朝时，成熟的?马蹬的大量使用使骑兵由秦汉时的轻骑向重甲骑兵发展，也就是人马皆以重甲防护，在战场上发起冲击作战。但唐.军当时的主要对手是游牧轻骑兵，且是长途出击为主，所以唐.军虽然也有重骑兵的存在，但更多的还是轻骑兵。
唐.军的骑兵一反此前南北朝时的重装化，其士兵的保护很好，但战马却甲片很少，只是护住前xiong和脸部。唐骑兵，人是有完善的战甲保护的，其战甲与步兵甲型制类似。早期的玄甲也被逐渐淘汰，代之明光甲。但骑兵甲的裙甲，膀甲明显比步兵的短，这是为了方便在马上的运动。为了弥补，唐骑兵使用皮带在腿和手膀上固定上甲片。唐骑兵每人身背长枪一条，配圆盾一面，弓一把、箭30，长短唐横刀各一把。战备相当完善。
唐.军远程作战的战术运用也有了很大突破：实战中，唐.军骑兵与坐车的步兵共同达到战场！如果敌军首先发动进攻，唐.军拥有与宋军同样高的弓弩配备量，先以箭镞攻击对手，随后刀阵迎击，当两军混战在一起的时刻，骑兵迅速从侧翼扰到敌军后方，两线夹击对手！如果我军主动进攻，骑兵主要担负从侧后扰到敌军后方，迁制对手主力，同时步兵开始以刀阵推进，最终实现围歼。史书上有“如墙而进”，“当嗣业者，人马俱碎”来描述唐刀阵推进时的强大威力！
唐.军的战术有些类似亚力山大大帝的矛阵加重骑兵的战术。
可见唐.军步骑的配合与后来的“两翼铁骑”是完全不同的！唐.军骑兵虽与步兵合为一体，但在战斗中其使用是完全独立于步兵的！可以说是由唐.军创造了步骑合战的最优秀典范！唐.军的战术极富力图全歼、所向披靡的霸气。这与其他军dui在骑兵面前将步兵作为列阵死守的工具的作风完全不同。这充分说明了唐.军拥有极高的主动进攻精神。
公元645年初，高仙芝再度奉命出军，击破亲附吐蕃的?车师国，俘虏其国王勃特没。
这两次艰难的远征使得高仙芝在西域获得了极大的声誉，也标志着唐朝在中亚的扩张达到了顶点。此时，大唐已经成为塔里木地区、伊犁河流域和伊塞克湖地区的占有人和塔什干的宗主，他控制了帕米尔山谷地区，成了吐火罗地区，喀布尔和克什米尔的保护者，高仙芝俨然是大唐在中亚的总督。
几乎同一时期，阿拉伯国内发生革命，阿拔斯王朝（旗帜尚黑，史称?黑衣大食）取代了倭马亚王朝（旗帜尚白，史称白衣大食）。在初步解决了吐蕃方面的问题之后，高仙芝打算利用这一大食易代、河中叛乱的千载难逢良机，剪除大食羽翼，逐步恢复唐朝在岭外地区的主权。于是一个名为?石国的西域小国成了牺牲品。
公元645年，唐安西节度使高仙芝以西域藩国石国“无番臣礼”为由，领兵征讨，石国请求投降，高仙芝允诺和好。不久高仙芝违背承诺，攻占并血洗石国城池，捋走男丁，搜取财物，俘虏石国国王。
此时高仙芝达到了征战生涯的最高峰。侥幸逃脱的石国王子遂向大食（阿拉伯帝国）的阿拔斯王朝（黑衣大食）求救。大食援军计划袭击唐朝西域四镇，高仙芝先发制人，主动进攻大食。高仙芝率领大唐联军长途奔袭，深入七百余里，最后在怛罗斯与大食军dui遭遇。唐朝要在中亚树立霸权就必须击败阿拉伯，而阿拉伯要完全控制中亚则必须击败唐朝的挑战。
公元646年，高仙芝率军从安西出发，在翻过葱岭、越过沙漠、经过了三个月的长途跋涉之后，高仙芝在七月份到达了中亚名城怛罗斯城下，城中已经有阿拉伯军数千人抢先驻守，唐.军只好开始围攻怛罗斯城。
阿拉伯人在接到高仙芝进攻的消息之后，驻巴士拉的东方总督艾布·穆S林立即下达命令，部将塞义德·本·侯梅德带部下数千人的部队抢先驻守怛逻斯城中，加强防守，为大军集结赢得时间。艾布·穆S林带着自己的1万人赶往撒马尔罕构筑工事准备大战，齐雅德和另一将领艾布达·乌德·哈里德·本·伊卜拉欣·祖赫利召集河中的驻屯军20万人迅速赶往怛罗斯城，高仙芝攻城五天不克，阿拉伯援军赶到，从背后袭击唐.军，在外围警戒的葛逻禄部雇佣兵见事不妙突然逃跑，导致唐.军阵脚顿时大乱。葛逻禄的行为在唐.军看来是彻底的背叛，阿拉伯联军趁机出动重骑兵突击唐.军阵营的中心，连日征战的唐.军在内外夹击下再也支撑不住，终于溃败，高仙芝在夜色掩护下带领数千人逃脱。
李嗣业、段秀实收拢散兵游勇向安西逃遁，途中恰逢中方联军中的拔汗那兵也溃逃至此，造成兵马车辆拥挤堵塞道路。李嗣业恐阿拉伯追兵将及，不惜对盟军大打出手，挥舞大棒毙杀百余名同属大唐联军的拔汗那军士，才杀开一条血路，残余唐.军得以通过。此前李嗣业还曾劝高仙芝弃兵逃跑，被段秀实斥责为“惮敌而奔，非勇也；免己陷众，非仁也”。在收拢残兵之后，高仙芝并不甘心，依然想进行一次反击，在李嗣业等的劝说之下终于放弃。最后高仙芝只得引残兵逃至安西。
唐.军面对阿拉伯联军二十万，沉着应战，令阿拉伯联军损失惨重，伤亡七万多人，两万人的安西精锐部队中，大约损失一万多人，其中阵亡和被俘各自近半，但仍有数千人得以身还。阿拉伯忙于平乱，对保住中亚心满意足，也未能进一步扩张。
怛罗斯之战后，安西都护府的唐.军精锐兵力损失殆尽。
原本臣服于唐朝的中亚诸国转而臣服于阿拉伯大食帝国阿拔斯王朝。