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１９７６年９月６日１２时５０分，别连科驾驶米格－２５升空。在盘旋一段时间后，改道直奔东南方的日本北海道。途中，别连科将飞行高度从８０００米猛降到１０００米，以避免被苏联和日本雷达发现。接着，他按动报警开关，发出呼救信号；几秒钟后，他又关掉开关，想让地面雷达站误以为飞机失事了。他还关掉了机载雷达和其他电子仪器，让飞机处于无线电静默状态。

３０分钟后，别连科进入日本“防空识别圈”，日本自卫队连续派出两批Ｆ－４ＥＪ型“鬼怪”战机拦截，但均被甩掉。不过，这时别连科的处境也不妙，因为飞机油料快用完了。这时，他看到了日本函馆民用机场。但当飞机试图降落时，一架波音７２７型客机正好起飞。为避免相撞，别连科来了一个急转弯贴向地面，并以时速３６０公里冲向跑道。飞机在巨大惯性作用下冲出跑道，在草坪上划出一道深深的沟痕后停在高架电线塔前。别连科扯下氧气面罩，从驾驶舱爬到机翼上，拔出ＴＴ－３３型手枪朝天连开数枪。一刻钟后，日本防卫厅特别情报处派官员前来接洽，他们以为别连科偏离了航向，但别连科斩钉截铁地称自己是有意飞到日本的，并要求日方立即安排他与美国代表见面，寻求政治避难。

别连科的叛逃给苏联带来了巨大损失。美日专家把这架米格－２５Ｐ逐一拆卸以弄清里面的技术秘密。虽然他们把飞机交还给了苏联，但此事使苏联国土防空军的战机不得不更换敌我识别系统，数十名指挥官和负责人被撤职。而别连科则得到美国中情局的一笔奖金，并在美国一家农场隐姓埋名地生活了下来。据说，他偶尔会被美国空军请去协助指点战术动作，还一度与一名西班牙女郎发生恋情，不过很快就分手了，这让别连科很受刺激。