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为了尽可能给东路迂回的一万人马留出时间，卫青让剩余主力放慢了行进速度，在戈壁中多走了一天，按说这样做在缺草少水的戈壁中是非常危险的，好在他们用武刚车带足了十天的补给。
三天之后，刚刚行军到大漠北缘的西路汉军，不出所料的遭遇上了单于主力。对方早已列阵以待，卫青则立刻命令一千辆武刚车连环结阵，固住己方营盘。
卫青的五万人，李广和赵食期带走了一万，武刚车中有一万，卫青手里可以调度的还有三万。这三万人轮流出战，每次一支五千人的旋刀纵队突入敌阵搅杀，其余人马则在连环阵中休息。
这个打法还是保守了些，对方有八万之众，仅靠一柄五千人的旋刀，就像用一柄小刀子去划一块大肉，攻击力还是太不够了！何况西路汉军的旋刀也没有霍去病的那么锋利，每次冲锋歼敌的数量少于霍氏旋刀，而自身的损伤又多于霍氏。
当然这也是不得已的事情，因为卫青的麾下，并没有像霍去病那么锋利好使的“刀尖”。
对旋刀冲锋来说，一个“刀尖”最重要的就是要在瞬息万变的战场上，准确判断出下一次冲锋的方位,也就是说，必须看出敌人此刻的要害在哪里，而这个能力没人能跟霍去病比。两把旋刀一起上呢？各打各的那也是不行的，必须统一指挥，而同时驾驭两把以上的旋刀，至今汉军里只有霍去病一个人能够做到。
其实放在后世也是如此，很多人一听到旋刀的概念，都觉得原理虽然很简单，可是实在太险了，难道不会被敌人夹了心吗？这些人说得都对，确实是很险，确实是很难驾驭，这也就是为什么自古至今只出了一个霍去病。
目前伊稚斜的兵力是卫青的两倍，自然，匈奴人也组织了纵队冲锋，他们的纵队一次大约是一万骑，但是面对武刚车结成的连环阵，面对连环阵向外射出的密集弩箭，纵队冲锋基本是无计可施。激战半日后，眼看太阳西过中天，伊稚斜和卫青都是暗暗焦急。
伊稚斜焦急的是，这连环阵实在是坚不可摧，汉军简直相当于自带了一座城池！他们大可以轮流出战，其余人马能在阵中得到充分的休息。本来刚开战时，汉军是远道而来，匈奴大军是以逸待劳，前者的状态明显差于后者，可是如此大半天打下来，现在汉军的人力马力已经强于匈奴了！本应该速战速决的战斗，没想到却已拖到了现在！越往后拖，对自己只能是愈发不利。
卫青焦急的是，那去东路迂回的一万汉军，一直还不曾出现在指定的位置！李广和赵食其怎么回事？他们应该到了啊！目前战况虽然对己方有利，匈奴人拿自己的连环阵没什么办法，但是在一比二的兵力下，最多就是耗着对方，没有围合是不可能有更多歼灭的！
李广迟迟不出现，卫青只能继续拖延着时间，仍然一次只派五千人的旋刀纵队出战，一边慢慢消耗着单于，一边继续等待。周围的人只看到大将军镇静如常，没人注意到他其实不时的望向东北，那正是李广和赵食其应该出现的方向，如果此时他们能出现在单于阵后，让匈奴人腹背受敌，两相夹击之下，此战马上就可以全胜了！
然而直到日暮，东北方向一直没有出现汉军的身影。此时戈壁上骤然刮起了大风，沙石扑面，一时间天昏地暗，能见度极差。这是一个合围的机会！卫青敏锐的抓住了这个机会，下令连环阵中所有人马尽数冲出，从两翼包围匈奴阵地，终于成功的构成了围合。
但是，此时虽然有了围合，可是兵力毕竟不足，更重要的是天色已然昏黑，已经不能再用旋刀冲锋，汉匈两军只能陷入混战，一时相持不下。当然，如果李广和赵食其这时候能够出现，也是一个非常好的时机，可是卫青望着黑红色的天幕，心里暗暗叹了口气，在这种天气下，李广他们能来会合的可能性，变得更小了。
而在围合刚刚形成时，单于伊稚斜就已经走了。为什么走？因为他知道继续打下去已是无望取胜了，对方只要有武刚车阵，就已经立于不败之地。己方目前虽未落败，但眼看汉军又围合了上来，继续留在此地，自身的风险还是太大了些，身为单于，他得首先保证自身的安全，然后再图变计。
伊稚斜想到的变计是，自己悄悄的离开，规避掉风险，但主力仍然留在这里跟汉军耗着。就算己方落于下风，但是兵力是汉军的两倍，卫青一时也吃不下去，大体仍算个不胜不败的局面。而自己还有一部分粮草就放在阗颜山下的赵信城中，距此只有五百来里，也还有一部分后备力量，可以调来增援，到时候卫青的实力也该折损过半，自己就好打了。
可是伊稚斜没有料到，他悄悄的溜走之后不久，就被汉军察觉了。说来也是有些巧合，汉军刚刚合围时，曾有几百匈奴人从西北面突围而去，当时汉军只当是敌人的小股兵力，并没有太放在心上，更没有派兵去追。没想到不久之后竟从俘虏口中得知，半个时辰前突围而走的，竟然就是伊稚斜本人！闻听此报，卫青不假思索，立刻派了两千精骑向西北方向追赶。
两千汉军向大单于的方向追去！这可把留在战场的匈奴头领紧张坏了，大单于随身没带多少人啊，汉军怎么这么快就知道单于走了呢！于是匈奴人立刻分兵一万，紧追这两千汉军而去，他们必须得保卫自己的单于。
本来单凭俘虏的口供，卫青还不能确定单于是不是真的走了，但匈奴人这一分兵，反而验证了这一点。可是，前面的汉军只有两千人，此时该派多少人去增援呢？
绝对不能再分兵了！汉军兵力少于匈奴，你派一万，他可以再派两万，你再派两万，他再派三万，成了夹层饼了！卫青在转瞬之间已经做出了决定，“连环阵留在原地，其余兵力马上离开，全体向西北追击！”
确实，仗打到这个地步，卫青只有这两个选择，要么全军追击，要么全部留下。如果继续留下来打呢？虽然自己处于上风，但确实也无法吃掉敌人。等待李广和赵食其来会合？恐怕已经不能指望。在这里耗个一两天，形势对自己最为有利，而耗的时间久了，敌人的兵力毕竟是自己的两倍，自己仍有先被耗干的可能。而此刻全军一动，却又把武刚车阵留在原地，继续吸引敌人的进攻，敌人就只能分兵两路，汉军的压力一下子就会减轻了。
事实证明了卫青的判断。此时匈奴大军的建制其实并未乱，但见到汉军的全部主力紧追自己的单于而去，他们的军心立刻先乱了。于是匈奴人只得在匆忙中再次分兵，又分一半尾随汉军而去，不用说，这部分匈奴军队在途中被汉军大举截杀，是损伤最为惨重的。
而留下来继续围攻连环阵的其余匈奴人，也没有太强的战斗意愿了，他们又尝试了若干次进攻，但每次还是被强弩射回，也都很清楚此阵根本啃不动，加之军心已然涣散，故而不到天明就干脆退兵而去了。
卫青的追击，更是完全出乎伊稚斜的意料之外。他没有想到汉军竟然追了上来，而且就在自己身后紧咬不放，一夜功夫追出二百来里！他本来只想悄悄地独自撤退，这下子却不得不变成了狼狈的亡命逃窜，本想回后方调动粮草和增援部队，现在也全都谈不上了，只顾得上张皇失措的一路奔逃。
伊稚斜逃得实在太狼狈，以至于跟自己的主力部队都失去了联系，他的主要部下都以为他已经死了！按匈奴制度，单于下面是左右贤王，再下面是左右谷蠡王，此时其他人皆不在，以右谷蠡王为最大，国不可一日无主，于是右谷蠡王就继位为单于。（注：过了十天，伊稚斜才又联系上，于是右谷蠡王又赶紧退位）
尽管伊稚斜逃得非常狼狈，但他倚仗着对环境的熟悉，还是成功的逃掉了，汉军并没有抓住他。也正是在这个追击的过程中，西路汉军正式踏上了漠北草原的地面。
两天之后，卫青已率主力一路打过了单于的王庭（注：哈拉和林），一直打到了阗颜山下的赵信城（注：车车尔勒格附近）。果然，匈奴人在这里囤了不少粮草，汉军不必担心补给问题了。
按理说，汉军既然打到了这里，应该展开大范围的搜索扫荡，但这其实已经很难了。因为单于的主力已然分散，而且他们并没有去往东面的宽阔草原，大部分都是向西面的山地躲去了，为什么不向东？东面有霍去病啊，向东不是找死吗？可是匈奴人一旦隐蔽进山区，就不好找了，况且武刚车也不适应山区地形。
从卫青的兵力看，继续留在漠北转战寻敌也有些力不从心。李广和赵食其带走的那一万人，一直没有出现，其余四万人已经死伤了一万八九千，还有一万是在武刚车里，也就是说，大将军手里可调动的轻骑兵，只有一万出头了！在这种情况下，汉军在赵信城休整了一天，辎重粮草能带的带上，不能带的烧掉，卫青的选择只能是就此退兵了。
西路汉军此役歼灭的匈奴人是一万九千，这是能够割耳为证的数字，实际数字当然远远大于此数。在有旋刀冲锋和武刚车阵的情况下，汉军与匈奴的战损不可能是一比一。但是很多歼敌是统计不上来的，像是旋刀搅杀之后，根本无法立刻割耳计数，这只能靠最后打扫战场时才能统计。所以说，如果不是歼灭敌人后自己留下来打扫战场，就很难统计到真实的歼敌数目，而己方的损伤却是一个也不会少计的，这时就只能在数字上吃亏了。
而此次战役，汉军主力是先走的，且匈奴人直到退兵，也没有失去建制，所以他们把己方的许多尸首都收走了。按匈奴人规矩，把死者尸首带回去的人可以继承死者的家产，因此他们对于收尸一向是很积极的。所以这次旋刀歼灭的匈奴人，最后基本上都未被统计到，只有留在连环阵附近的尸首，匈奴人是不敢来收的，因为来收的话只会留下更多的尸首。
当然，也正是因为没有打散匈奴人的建制，匈奴人最后是散而未溃的，所以此役并没有俘获什么小王、当户、相国之类有身份的人物，这也是一个遗憾之处。