20世纪30年代，希特勒得到绝密情报:苏联年轻火炮设计师列昂采夫主持的一家研究所在研制“喀秋莎”火箭炮方面获得突破。纳粹德国决定不惜一切代价将“喀秋莎”弄到手。
苏联小偷意外破坏计划
纳粹情报部门制定了代号“天狼星”的计划。德国驻苏联使馆武官处四处活动，获得了列昂采夫研究所的人员名单。经过研究后，他们发现，研究所的看门人是个白俄流亡将军的侄子，德国人很轻易就把他发展成间谍，并让他在晚上溜进列昂采夫办公室，窃取了“喀秋莎”设计图，进行拍照后，将胶卷送到了德国武官处。
得知盗取图纸成功后，纳粹情报部长卡纳里斯海军上将立即下令，要求武官处把胶卷火速送到柏林。但携带绝密胶卷的德国情报人员还没离开苏联，行李便被小偷席卷一空。纳粹德国第一次盗窃“喀秋莎”计划就这样功亏一篑。
目标指向设计师
意外失手后，希特勒指示纳粹情报机构，继续肆机窃取“喀秋莎”。1941年，列昂采夫前往莫斯科参加“喀秋莎”的实验工作。在火车上，列昂采夫无意中听到旁边两名妇女在谈论他认识的列宁格勒工学院的谢尔盖·祖波夫教授，于是就主动走过去打招呼。交谈中，列昂采夫得知其中一位老夫人是祖波夫教授的夫人，另一位是莫斯科一家歌舞团的歌手娜塔丽。车到莫斯科后，列昂采夫与两位女士相约日后再见。不过，列昂采夫怎么也不会想到，眼前两人是盖世太保的间谍。而这次火车上的“巧遇”，也是盖世太保的精心安排。
不久，这种火炮正式研制定型。斯大林亲自下令将其列装，定名为BM-13型火箭炮，也就是被苏军前线官兵亲切称为“喀秋莎”的新型火箭炮。就在这时，纳粹德国发动侵苏战争。列昂采夫主动要求到前线检验“喀秋莎”的实战效果。几天后，列昂采夫被安排到了前线某炮兵旅参加实战。出发前不久，列昂采夫再次与“教授夫人”“不期而遇”。交谈中，“教授夫人”关怀地问列昂采夫要去什么地方。列昂采夫毫无戒备地把目的地告诉了她。
在盖世太保的策划下，娜塔丽所在的歌舞团也来到前线“慰问官兵”。但娜塔丽并未发现列昂采夫的行踪。一次晚会上，一位喝多了的苏军中尉无意吐露了列昂采夫的行踪。不久，一支自称来自伊万诺沃州的五人“慰问团”来到前线。“慰问团”为首的是一个叫彼得罗夫的人。此人其实是盖世太保的老牌间谍彼得罗涅斯库。一战时，他曾成功绑架了敌方潜艇设计师。此番，在党卫军领袖希姆莱和纳粹安全部长卡登博隆涅尔的授意下，彼得罗涅斯库专程从柏林潜入苏联，打算故伎重演，将列昂采夫绑架到德国。
被击落飞机泄露计划
为配合绑架行动，纳粹情报机构命令潜伏在莫斯科的德国间谍，冒充苏军领导机关给前线炮兵旅发电报，告诉他们将有一支“慰问团”到前线进行“慰问”。随即，彼得罗涅斯库等人由德军飞机空投到苏德前线附近的一个铁路中转站。几天后，“慰问团”出现在了列昂采夫所在的部队。当晚，举行了盛大的欢迎会。列昂采夫也前来出席。当彼得罗涅斯库得知列昂采夫要下到前方的炮兵营时，便要求旅长允许他们搭列昂采夫的汽车到前线去。旅长同意了他们的请求。
途中，彼得罗涅斯库等人干掉了司机及随行警卫，并用麻药麻倒列昂采夫。按照事先的计划，一旦绑架得手，彼得罗涅斯库就赶到距苏军炮兵旅部十几公里的一个废弃机场。在那，会有一架德国运输机把他们接回德国。然而当彼得罗涅斯库一行赶到那里时，发现等待他们的不是盖世太保，而是荷枪实弹的苏军。
原来，苏军几天前在莫斯科附近击落了一架德军飞机。从机上德国飞行员和间谍的尸体上，苏联反间谍人员发现一个密写小本子。经过技术人员分析，完全破译了“天狼星”计划，上演了守株待兔的好戏。
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