1937年春天，钱学森分到了自己的第一间办公室。和他共享这间办公室的，是一个名叫阿波罗·米尔顿·奥林·史密斯（Apollo Milton Olin Smith）的研究生，人们都叫他“阿莫”（Amo）。在史密斯的回忆中，钱学森“不爱说话”、“很傲慢”，而且除了工作对什么都无动于衷。不过，史密斯所做的一件事却引起了钱学森的兴趣：他参加了学校里的一个进行小型火箭发动机实验的小组。
小组的创立者是弗兰克·马利纳（Frank Malina），比钱学森早两年进入加州理工学院的航空工程系研究生。1912年出生于得克萨斯州布伦纳姆一个小镇上的马利纳是个一头黑发、说话轻声细语的瘦高青年。在他只有12岁时，读了凡尔纳写的《从地球到月球》（From the Earth to the Moon）后，他就梦想有朝一日可以实现太空飞行。尽管其他教授对这些研究生制造火箭的想法嗤之以鼻，冯·卡门却对此很感兴趣，而且同意为马利纳提供资助。
从本质上看，这些实验完全出自爱好。这些年轻人在晚上作出规划，周末进行实验，他们要在繁重的功课中挤出时间，还得外出打工，用赚到的钱购买废旧零件。他们把自己的积蓄都凑在一起，为了寻找实验用的二手设备，跑遍了整个洛杉矶。1936年秋天，这个由加州理工学院学生和当地火箭爱好者组成的小组在阿罗约·塞科河谷进行了第一次实验。这是加州理工学院几英里外的一个干枯的河谷，紧邻鬼门水坝（Devil’s Gate Dam），一直延伸到圣加布里埃尔山脉的脚下。
这些工作不仅耗费体力，而且非常危险。1936年10月底，小组成员工作到凌晨3点，才将供实验用的小型火箭发动机的各个零件安装好。补了3个小时的觉之后，他们在天将破晓之际驱车前往阿罗约·塞科河谷，将闪闪发亮的模型火箭发动机底端朝向天空，架设在实验台的弹簧上。随后，他们将一根供给氧气的管子和另一根供给液态甲醇推进燃料的管子与燃烧室连接起来。在试图点燃氧气和燃料的混合物之前，小组成员在火箭发动装置周围堆满沙包，然后躲进挖好的地沟中。
点火之后，火焰会从发动机的镍钢喷嘴中喷出，推动发动机向下，冲击弹簧。固定在发动机下方的一小粒金刚石在平行放置的推动力记录仪的玻璃柱表面留下刻痕，从而可以据此计算出产生的推动力。在实验过程中，经常发生一些激动人心的小事件，令小组成员多年之后仍津津乐道。比如，1936年10月的实验中，氧气管破裂并着起了火，让他们落荒而逃（后来，小组成员很遗憾未能为当时的整个情景拍下照片）。此后，1937年1月，火箭发动机破纪录地运行了44秒，令所有人都忍不住鼓掌欢呼。
马利纳和史密斯经常在史密斯的办公室里讨论实验结果，当他们这样做的时候，史密斯注意到，钱学森非常用心地在一旁倾听。“当他听到我和马利纳的谈话时，他很好奇。”史密斯说。有一天一起上课的时候，钱学森走向马利纳，就马利纳此前为一本杂志撰写的有关火箭的文章提出了许多问题。
在对太空旅行的可能性进行了热烈的讨论后，马利纳对钱学森说：“如果你对火箭感兴趣，为什么不加入我们的小组呢？”钱学森欣然同意。没过多久，1937年5月22日，马利纳就给家中的父母写信道：“一名对火箭的理论问题感兴趣的中国研究生加入了我们的小组。我们现在有5个人了……帕森斯（Parsons）、史密斯、钱学森、阿诺德（Arnold），还有我自己。”
在整个20世纪30年代，很少有人认为火箭是一个值得投入力量研究的科学领域。他们有不这么做的充分理由。技术还在萌芽状态，只有3个不同国家的3名科学家彼此隔绝地独立进行着相关研究。
这一领域的开先河者是苏联科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）。这位双耳失聪、性格内向的科学家在19世纪90年代第一个在发表的论文中提出火箭太空飞行的数学问题。不幸的是，在1921年之前，他的发现并未得到苏联科学院和世界上其他科学家的重视。
接下来是美国马萨诸塞州克拉克大学的物理学教授罗伯特·高达德（Robert Goddard）。从少年时代开始，高达德就对太空飞行的概念深深着迷。从大学毕业后，他在笔记本上写下了许多半个世纪后才逐渐成形的点子：分级火箭，以液态推进燃料和固态推进燃料作为动力的火箭，人类登陆月球。在他家中的实验室里，高达德设计了一系列使用固态推进剂的小型火箭发动机实验，并于1918年在阿罗约·塞科河谷的小山上进行实验。他的相关发现发表于1919年的经典论文《到达极限高度的一种方式》（A Method of Reaching Extreme Altitudes）中。在报道高达德的发现时，媒体采用了一种耸人听闻的方式，使得关于“高达德正准备把自己发射到月球上”的谣言四处流传。这一不快经历使得高达德从此消失于公众视线，此后一直过着离群索居的生活，对自己的研究严格保密。
第三位先驱是德国科学家、作家赫尔曼·奥伯特（Hermann Oberth）。1922年，28岁的奥伯特在海德堡攻读博士学位时，在博士论文中就描述了一种使用液态推进剂、可以长距离飞行的火箭的设计方案，并用数学公式阐释了为什么火箭可以脱离地心引力。海德堡大学拒绝了他的论文。坚信自己正确的奥伯特将这篇论文以书籍形式出版，名为《飞向行星际空间的火箭》（Rakete zu den Planetenräumen）。这本书开始时少人问津，只有一位教授对它表示质疑，宣称火箭在真空中不可能飞行，因为排出的气体无从借力。
事情的转折发生于1924年。慕尼黑的一名高产畅销书作家马克斯·瓦列尔（Max Valier）被奥伯特的书所吸引，开始花费大量精力推广奥伯特的理念，在他论文的基础上写了许多本畅销书和文章，而且在德国和奥地利进行巡回演讲。这样做的结果，是奥伯特和瓦列尔的书都被抢购一空。在瓦列尔的帮助下，奥伯特的书成为火箭研究领域的一种时尚——主要倡导者由科幻小说迷和喜欢稀奇古怪事物的富家子弟构成。在德国，开始涌现大量与火箭相关的通俗作品或技术专著，不久，世界上第一本专门讨论太空探索的学术杂志和第一家学术社团也出现了。
然而，到1926年的时候，瓦列尔认为公众的反响还不够热烈。失望的他想出了一个新点子，发起一场全国性的募捐运动，为推动火箭向太空船的逐渐转型项目募集资金。他请艺术家将自己的技术梦想画成激动人心的图画，但这却导致了奥伯特与他的决裂——因为奥伯特认为，一些图画在技术上并不严谨。不管怎样，这一募捐运动最终激起了欧宝（Opel）汽车公司的富有的继承人弗里茨·范·欧宝（Fritz Van Opel）的好奇心，而他是当时媒体争相追逐的花花公子。没过多久，1928年，弗里茨·范·欧宝就开始在赛车场上驾驶火箭汽车，吸引了上万名观众的眼球。
就在此时，对火箭的狂热在欧洲到达顶峰。1929年，德国电影导演弗里茨·朗（Fritz Lang）导演了一部长达3小时的史诗巨片《月亮上的女人》（Frau im Mond），讲述了一个建造火箭并飞往月球的故事。这掀起了新的一轮火箭热潮。此外，在瓦列尔与欧宝的通力合作下，一些新花样也不断出现：火箭雪橇，火箭赛车，火箭滑翔机，甚至还有火箭摩托车。然而，1930年，一间装有液态推进剂的储藏室发生爆炸，爆炸碎片刺入瓦列尔胸部，导致他当场身亡。他的死亡令德国舆论呼吁取缔私人火箭研究，火箭热也因此开始走入低潮。
直到1935年，火箭这门学科都未能在加州理工学院得到严肃对待。这一年，冯·卡门的另一名弟子威廉·柏雷（William Bollay）发表演说，介绍欧根·桑格（Eugen Sanger）在维也纳进行的火箭发动机实验，并讨论以火箭作为动力的未来飞行器的发展可行性。此举成为了钱学森后来加入的火箭小组的催化剂。弗兰克·马利纳从柏雷的演讲中获得启发，着手查阅与火箭技术相关的科学文献，并向当时加州理工学院董事长罗伯特·密利根的儿子、身为航空学教授的克拉克·密利根（Clark Millikan）提议，由其指导自己完成一篇关于火箭飞行的博士论文。然而，克拉克·密利根的态度与当时整个学术界对火箭的态度一样，认为这不过是好莱坞电影中的噱头和寻求刺激者追逐的花样，因此拒绝了马利纳的提议。他甚至建议马利纳退学，去飞机制造公司找份更有前途的工作。幸运的是，冯·卡门对马利纳的点子颇为欣赏，并同意做他的论文指导者。
与此同时，校园里出现了另外两名同样对火箭技术兴趣盎然的年轻人的身影。自学成才的化学家约翰·帕森斯（John Parsons）和熟练的机械技师爱德华·福曼（Edward Forman）虽然没有正规的学术背景，但却已经在帕萨迪纳进行了好几年关于小型黑色火药火箭的实验工作。当他们在《帕萨迪纳邮报》（Pasadena Post）上读到柏雷关于火箭飞机的文章之后，两名年轻人大胆造访加州理工学院，希望在这里获得所需的技术资源和支持，建造使用液态推进剂的火箭发动机。出于共同目标，马利纳同意与他们通力合作。在几轮会面讨论后，3名年轻人勾勒出了未来的发展方案：研发出理论上可以进入大气层上层的火箭。他们希望，这种火箭可以在气象学领域找到用武之地。
1936年初，马利纳、柏雷、帕森斯和福曼设定了两项初始目标：解决火箭在反作用推进力和飞行表现方面的理论问题，以及建造一台小型火箭发动机用于实验。加州理工学院的另一名学生A. M. O. 史密斯（A. M. O. Smith）于此时加入小组，他是美国国家青年领袖奖学金的获得者，当时正担任冯·卡门的助手。小组成员复杂的背景让他们成为一个奇特的天才组合，其中既有马利纳、柏雷和史密斯所擅长的数学计算能力，也有帕森斯和福曼带来的敢于冒险的动手实践精神。当马利纳、柏雷和史密斯这3个人埋头于火箭相关的数学计算时，帕森斯和福曼则用从垃圾堆和二手商店里淘来的金属部件，一点一点拼装出了火箭箭身。与齐奥尔科夫斯基、高达德和奥伯特这3位在隐居中独自进行研究的火箭先驱相比，加州理工学院的火箭小组却用团队合作的方式，将理论和实践很好地结合在了一起。日后美国乃至全世界在太空技术发展过程中的系统分工模式，由此可见一斑。
如今已经成为一门重要学科的太空科学，背后有庞大的资金支持，然而，回到20世纪30年代，这门学科创始之初，加州理工学院的火箭小组最头痛的问题却是钱。当时，并没有关于火箭研究的政府资助，小组成员不得不自筹经费。马利纳业余时间在加州理工学院的风洞实验室工作，每小时可以赚80美分。史密斯靠替技术行业报纸和教科书画插图赚一点儿外快。1936年6月，因为筹不出购买两台仪器所需的120美元，马利纳几乎要放弃火箭项目。小组成员一度希望当时加州理工学院的气象学教授欧文·克里克（Irving Krick）——他的另一重身份是商业电台的气象播报员——能够帮忙说服他的富人朋友慷慨解囊，资助火箭相关研究，但到头来，这个指望不过是一场美梦而已。想钱想疯了的马利纳和帕森斯甚至打起了好莱坞的主意，他们开始构思写一部关于一群为外国独裁者服务的邪恶火箭科学家的反战主题的科幻小说，希望可以卖给制片厂当脚本。
1937年6月，一名加州理工学院气象学系的研究生韦尔德·阿诺德（Weld Arnold）为火箭小组带来了一笔意外之财。阿诺德某次听过马利纳在校园里的演讲后，深受感动，于是承诺为火箭项目筹集1000美元。没过几天，他就出乎意料地带来了第一笔钱——包在一张旧报纸里的一沓面值1美元和5美元的钞票，一共是100美元。几十年后，史密斯回忆道，阿诺德从来都没跟小组成员提过是从哪儿搞到的这笔钱，小组成员也从来都没有就此追根究底。他记得，兴高采烈的马利纳忍不住向此前否定了他的火箭研究项目的太空学教授克拉克·密利根炫耀手中的钞票，“克拉克，咱们在加州理工学院成立个火箭研究项目基金，你看怎么样？”他骄傲地对密利根说。密利根瞠目结舌的样子，让马利纳开心了很长时间。这1000美元足以负担制造火箭发动机的开支，马利纳终于不用再躲在帕森斯的厨房里挖空心思地构思小说了——要知道，这厨房也被帕森斯用做仓库，储存气味刺鼻、极易爆炸的剧毒液态化学原料四硝基甲烷。
伴随着新的资金的注入，项目开始加快了脚步。恰在此时，钱学森也加入了进来。理所当然地，他成了小组里的常驻数学家。1937年5月29日，钱学森完成了一份题目长得令人难忘的报告：《喷嘴发散角度变化对火箭发动机推进力的影响；理想的火箭发动机运转周期；理想的效率及理想的推进力；使用离散法计算燃烧室温度》（The Effect of Angle of Divergence of Nozzle on the Thrust of a Rocket Motor; Ideal Cycle of a Rocket Motor; Ideal Efficiency and Ideal Thrust; Calculation of Chamber Temperature with Disassociation）。这份报告给出了一台燃烧室和推进喷嘴容量固定的理想火箭发动机的计算公式。钱学森认为，火箭尾端喷出的火焰的半径应当尽可能狭小，这样才能在太空中提供强劲集中的推进力。如果火焰过大，很可能会导致火箭失控。钱学森的论文与火箭小组成员此前对火箭发动机、液态燃料、火箭飞机和火箭外壳的一系列分析和实验报告一道收入一本被戏称为“圣经”的论文集中，这构成了火箭小组研究的理论基础。
1937年，加州理工学院正式承认了这个火箭小组的地位，将其纳入加州理工学院火箭研究项目古根海姆航空实验室。火箭小组做出的第一件事，便是从冯·卡门那里获得许可，使用古根海姆航空实验室的研究设备进行此后的实验。这样，他们就再也不用拖着沉重的实验设备在阿罗约河谷到处乱转了。在接下来的一个月中，火箭队成员把据点转移到了实验室的地下室中。利用楼梯间通向屋顶天花板的一线天，他们安装了4根悬吊钢丝，将一个正方形金属笼挂在半空中。笼子上面，是一个垂直放置的8英寸长的小火箭。这个装置的实际作用是充当一个50英尺长的钟摆。火箭点火后它的摆幅可以帮助研究者计算火箭的推进力。
刚刚乔迁新居不久，灾难就接踵而来。先是马利纳和史密斯不小心将一罐四氯化氮洒在了盖茨化学楼前的草坪上，留下一大块棕褐色的焦痕，让园丁十分抓狂。（这个罐子是一战时留下的，锈蚀得十分厉害，以至于马利纳和史密斯事发后无法将阀门关上。）随后，在一次实验中，四氯化氮和酒精的燃料组合未能成功燃烧，火箭不停地向外喷射红色的泡沫和浓烟，使得实验室中所有金属表面都严重氧化，而且散发出难闻的气味。“如果楼里有老鼠，恐怕都会跑个精光。”马利纳说。腐蚀性的烟雾使得那些宝贵的实验器材表面都蒙上了一层鲜红的锈，尽管火箭队成员发了疯一样试图用沾了油的软布擦去锈迹，但许多设备都已毁于一旦。
“这件事相当可怕，”马利纳当时的室友马丁·萨默菲尔德回忆道，“当时情形非常严重。他们有可能被开除，整个研究项目可能会被彻底解散。在那个时候，这个研究项目本来就经费短缺，有什么理由一定要将其保留呢？然而，一定是冯·卡门说服了加州理工学院的校方，说这是一件非常有价值的、值得去做的事，即使校方可能因为泄漏事件而蒙受经济损失。”
但是，火箭小组却被永久性地踢出了实验室。“出去！”当学生们磨磨蹭蹭地向外搬运设备时，冯·卡门对他们大吼。所有的设备被撂在古根海姆实验室东边的一个混凝土装载平台上，任凭风吹雨打，那个“钟摆”则挂在几根突出的房梁上。偶尔一阵大风刮来，氧气罐、燃料罐和仪表盘被吹得晃晃悠悠，小组成员只有等待风停之后才能继续工作。
在这一年接下来的时间中，这个室外平台就成了火箭小组的实验室。实验的响动声震整个校园。“我记得一次望向窗外，正看见那帮男孩在坡道上引爆些什么。”一位加州理工学院教授回忆道。没多久，其他学生就开始以“敢死队”称呼这个火箭小组。
1937年底，这个团队经受着相当大的压力。他们必须要整理出一篇理论性的论文，由马利纳在次年1月召开于纽约的第六届航空科学研究院（IAS）年会上报告。克拉克·密利根可能是压力的来源。他是1938年IAS的大会主席。这篇题为“探空火箭飞行分析”的论文由史密斯和马利纳执笔，分析了简单的模型火箭的数学原理。在论文中，他们将火箭定义为一个垂直飞行穿越真空的无翼飞行器。在4页的篇幅中，两人还给出了理想火箭运动的一些基本方程式。1938年1月20日，冯·卡门给了马利纳一个惊喜：他拿出200美元，用以支付马利纳往返纽约的旅行费用。第二天，马利纳就登上了开往东海岸的列车。一路上，他都在用心琢磨讲稿，准备在1月26日的空气动力学分组讨论会上一鸣惊人。
这篇论文在纽约大获成功。它是IAS会议上第一篇关于火箭学的研究报告，不仅为加州理工学院的火箭小组赢得了来自航空界的注目，还让它在全美国范围内声名大噪。美联社和《时代》周刊都对其进行了报道，并且披露了他们要将火箭送入远比探空热气球更远的太空中去的宏伟计划。美联社援引马利纳的话说：“分析结果证明，如果可以建成一个高效的火箭发动机，（人类）可以抵达其他任何已知方式都无法企及的高度。”很快，“科学家准备向967英里以外的太空发射火箭”的新闻标题便开始出现在全美各地报纸之上。
当马利纳回到校园，他发现，火箭小组对这种从天而降的声名既兴奋又不安。全加州的报纸都以头版报道了他们的IAS论文，其中还包括《洛杉矶时报》（Los Angeles Times）的一篇社论。当再次审阅会议论文时，钱学森和马利纳一度以为他们找到了一处错误，顿时惊慌失措。过了好一段时间，他们才冷静下来，说服自己其实是正确的。“不用说，某一些时刻是相当令人忧心忡忡的。”马利纳写道。
小组成员很快就习惯了作为校园里的“火箭名人”的新角色。看起来，即使是钱学森，也无法抵御成为关注焦点的诱惑。1938年2月3日，加州理工学院的一份校报在头版刊登了一篇对火箭小组的深度报道，其中便包含了相当数量的对尚未发表的研究结果的详细描述，而这大违马利纳的本意。
火箭已经从幻想成为现实。在接下来的3个月里，加州理工学院航空系研究生弗兰克·马利纳、A. M. O. 史密斯和钱学森将获得关于火箭引擎的更多可靠信息，这比此前全世界历次尝试中所获得的信息还要丰富。
这篇文章写道，在加州理工学院的一个车间里，正在制造第二个火箭引擎。与吊在古根海姆大楼房顶上的那个引擎不同，这一台拥有钢制外壳，铜喷嘴，燃烧室内部有一层石墨保护层，以免燃烧室在高热下变形。（石墨的熔点高达3500多摄氏度）根据这篇文章所说，火箭小组的计划是将碳氢燃料混合物注入燃烧室的一段，而在另一端注入氧气，此后用电火花点燃混合物。小组成员希望，给排气喷嘴和燃烧室内部镀上石墨后，就能够设计出一种无论是在地球大气层中还是大气层外的飞行中——比如飞向火星——都能耐得住燃烧高温的燃烧室。
这篇文章中包含了一些钱学森关于未来实验的憧憬：
这项实验的一个目的是了解距地表600～900英里的高空中的某些特性。计划中的火箭将分为三个独立部分。在从空气密度较高的低层大气向上上升的过程中，将消耗大量能量。如有可能，最好在高山上进行发射。一旦飞过低层大气，火箭就会抛弃已经无用的第一级，使用较少的燃料便能继续上升。最后，在一个预定的时间，第二级火箭也会被甩掉，火箭将在更高的空间实现滑行。
“当听说一向沉默寡言的钱学森居然捅出了那么多秘密时，我们全都大吃一惊。好在这些都不是什么了不起的秘密。”马利纳在写给父母的信中提到。
接下来的几个月，钱学森和马利纳密切合作。如果他们没有对着火箭敲敲打打，那就一定是在解决火箭飞行的理论计算问题。他们一头扎进工作中去，经常忘了吃午饭。到1938年4月，马利纳和钱学森已经完成了一篇关于火箭飞行的论文，并提交给克拉克·密利根审查。火箭小组还对火箭进行了注水试验，查看各个管道是否存在泄漏。
到这年春末夏初之时，火箭小组的努力开始得到回报。5月份，火箭小组取得了迄今为止最好的实验结果。火箭引擎运行了整整1分钟，发出巨大的声响，迅速引来一大群加州理工学院师生的围观。一名美联社记者开始对马利纳进行跟踪采访，并最终写出了一篇出现在全美国各大报纸上的深度报道。很快，钱学森、马利纳、帕森斯和福曼开始为全美国的科学记者提供信息，成为《大众机械师》（Popular Mechanics）等美国杂志和洛杉矶当地报纸上的常客。
外界的反应直接而热烈：一份出版物刊登了一幅横跨5栏的素描，上面画着一艘从洛杉矶地标市政中心大楼腾空而起的载人火箭飞船，而好莱坞电台则对外播放火箭引擎的声音。一位来自纽约的特技演员甚至自愿申请在乡村博览会上用火箭将他射入1000英尺的高空，然后打开降落伞着陆。对于这些，马利纳的评价是：“全是炒作。新闻记者的想象力甚至比我们还丰富。”
尽管来自外界的注意力让火箭小组的成员感觉很不错，但他们担心，太过招摇也会带来负面作用。马利纳清醒地认识到，20世纪20年代，罗伯特·高达德几乎就是毁在了媒体的炒作中。在那几年中，哪怕只是被人称做科学怪人，高达德就已经觉得这是一种很客气很温和的说法了。西奥多·冯·卡门要求学生们保持低调，专注于自己的研究。
在1938年年中到年底的那段时间，钱学森开始在空气动力学和火箭学上有所收获。5月份，他与冯·卡门合作的第一篇论文“压缩流体中的边界流层”发表。这是一项关于高速移动物体——如火箭和导弹——表面边界流层的作用模式的研究。钱学森和冯·卡门估算出了火箭的波阻和摩擦力的比值，并计算出阻力和热传导之间的数学关系。此后，10月份，钱学森的另一篇论文《倾斜旋转体上方的超音速流》（Supersonic Flow Over an Inclined Body of Revolution）发表在《航空科学杂志》（Journal of the Aeronautucal Soiences）上。在这篇论文中，钱学森讨论了以超音速飞行的尖头抛射体的抬升过程，并发现，在以固定速度飞行时，这种升力与抛射体的攻角成正比。最后，在12月，钱学森和马利纳合作的论文《探空火箭的飞行分析》（Flight Analysis of a Sounding Rocket with Special Reference to Propulsion by Successive Impulses）发表在同一本学术杂志上。在这里，钱学森和马利纳提出一个可以重新装载的使用固态燃料黑色火药的火箭引擎设想，它可以通过一系列的爆炸为火箭提供推进力，而不是像液体燃料那样持续燃烧。从理论上讲，这种引擎可以将火箭送到比当时探空气球所能达到的更高的太空。
12月份的时候，钱学森开始将精力集中在完成学位论文上。尽管他也会抽出一些时间帮助马利纳进行其他的科学探索。例如，当马利纳着手写一篇打算在巴黎的一次科学竞赛中提交的论文时，钱学森无私地给他帮了不少忙。这篇论文后来赢得了“REP—赫希”（REP-Hirsch）奖金奖。正如马利纳在给父母的信中所提到的：
钱学森真应该署名其上，因为许多观点都是在他的帮助下想出来的。他实在是个好人。我希望我可以像他那么有恒心。在过去的10天里，为了解决一个难题，他夜以继日地工作，后来却发现对这个数学问题的解答并不令人满意。他离开办公室，然后又跑回来，说他要把这个问题重做一遍。他这个人将来必能成大器。
钱学森和来自得克萨斯的马利纳身上有许多共同点。两个人都从一出生起便被父母百般宠爱。他们都非常热爱艺术和古典音乐。此外，按照两人在加州理工学院共同的熟人的说法，他们个性中都有桀骜不驯的一面，深信自己的智力水平高人一等。弗兰克·马利纳的偶像是达·芬奇，并以“文艺复兴人”自居。他的前妻回忆道，马利纳认为自己“精通艺术，精通文学，精通科学，而且可以兼容并蓄，各擅胜场”。而矜持沉静、自命不凡的钱学森则很快在校园里被人奉送上“天子”（the Son of Heaven）的外号。
当然，在加州理工学院，傲慢并不是什么新鲜事。正如威廉·西尔斯在他的自传中描述的那样，“加州理工学院的那帮家伙全都盛气凌人，深信他们学院就是世界上最伟大最优秀的大学，而作为这所学校的毕业生，他们也都是最聪明的学生”。
尽管钱学森为他的智力和与冯·卡门的密切关系而自豪，但他却对任何攻击中国的言论和行为都极其敏感。这种敏感是有充分理由的。有一次，在电影院里，一名观众要求领座员不要把钱学森安排在他旁边，因为他不愿意挨着一个亚洲人坐。还有一次，一些美国学生嘲笑中国是一个又穷又愚昧的国家。据说，钱学森对他们说：“对于中国的贫穷我无能为力，但让我们来较量较量。我代表中国，你代表美国，到学期结束的时候，看看谁的成绩最好。”钱学森最终赢得了这场比赛，令许多中国学生都扬眉吐气。许多人几年后承认，如果换做他们自己，绝对不敢提出这种挑战。不过，钱学森对自己的同胞却表现得相当严厉。这使得他在中国留学生的圈子里并不讨人喜欢。“他非常顽固，非常个人主义，总是批评别人，”钱学森的室友袁绍文回忆道，“他总是觉得自己是对的，而他的确经常如此。不过这却给他树了不少敌人。”
看上去，钱学森既没时间也没兴趣顾及其他人对自己的感受。他更愿意把空闲时间花在与少数几个他信任和尊敬的好友身上。1938年，在同龄人中，钱学森与马利纳走得最近，后者广博的求知欲与钱学森正好合拍。
钱学森与马利纳相处的时间变得越来越多。当钱学森通过博士论文答辩时，火箭小组在马利纳的撺掇下为钱学森召开了一次惊喜晚会。马利纳有一辆深灰色的雪佛兰老爷车，一到周末，他和钱学森就会开车到洛杉矶去。有时候，来自捷克斯洛伐克的航空系研究生安德鲁·费耶尔也会加入他们的行列，而他也成为钱学森的密友之一。在还没有高速公路的那些日子里，车子只能沿着帕萨迪纳和格兰戴尔的山脚小路缓缓前行，直至抵达好莱坞。
音乐似乎一直是远足的绝对主题。他们经常前往洛杉矶爱乐音乐厅，聆听奥托·克伦佩勒（Otto Klemperer）指挥的洛杉矶交响乐团的演出。他们还经常在唱片店里消磨整整一个下午，搜寻经典录音，像俄罗斯作曲家斯特拉文斯基（Igor Stravinsky）、肖斯塔科维奇（Dmitri Shostakovich）和普罗科菲耶夫（Serge Prokofiev）的作品，常常一买就是几十张。钱学森尤为喜欢巴赫的室内乐及贝多芬的交响乐。在这之后，钱学森有时会造访马利纳或费耶尔的家，在那里听上一整晚音乐，一句话都不说。他对古典音乐的热爱几乎成为一种信仰。费耶尔说：“就算哪天看到他在家里打印乐谱，我们也不会感到奇怪。”
数十年后，当费耶尔夫妇被问及对钱学森的印象时，他们给出的形象，是一个衣着整洁、头发梳理得一丝不苟的年轻人，手指纤长，指甲修理得整整齐齐，“非常优雅”。出于对艺术的敏感，钱学森经常造访博物馆，欣赏印象派和现代艺术作品，并察觉到艺术、音乐和科学之间的内在联系。费耶尔回忆道：“他发现，一个数学问题的解答如果用实体形式呈现出来的话，常常是非常美丽的。”
然而，钱学森对于那些他认为智力上不如他的人却甚少同情心。费耶尔说：“他用大谈特谈别人不懂的高深理论的办法吓跑了好多人。基本上，钱学森只以智力取人。他对和那些智力低下的人打交道毫无兴趣。”
1938年，马利纳介绍钱学森加入了一个加州理工学院的知识分子讨论小组。小组成员们经常在晚上聚到一些已经成家的年长科学家家中，讨论音乐和政治话题。有时候，召集地点选在曾受过专业音乐训练的加州理工学院生物学家雅各布·杜布诺夫（Jacob Dubnoff）的家中。那是一栋二层小白楼。但大多数时间，人们会去在化学系担任助教的西德尼·威因鲍姆（Sidney Weinbaum）家。
威因鲍姆长着一张会让人联想起鹰的瘦脸，弯腰驼背，好像是因为伏案读书过久所致。经常穿着一身蓝色哔叽西服的他看起来缺乏锻炼而且健康状况不佳，甚至显得有些阴郁。但在钱学森的眼中，威因鲍姆却是一个典型的多才多艺的“文艺复兴人”。这位生于乌克兰的犹太科学家此时已年逾不惑，俄国十月革命后，他逃离祖国，于1922年来到洛杉矶。他是一个非常优秀的钢琴演奏家，而且下得一手好国际象棋。靠教习音乐获得的收入，威因鲍姆在加州理工学院完成了大学学业。此外，20世纪20年代，他还曾经两度赢得洛杉矶地区的国际象棋比赛冠军。1933年从加州理工学院获取物理博士学位后，威因鲍姆开始担任化学家莱纳斯·鲍林的技术助理。他的博学多才令钱学森深深折服。
每隔几个星期，在晚饭后大约8点左右，客人们就陆续来到威因鲍姆位于斯特本街上的灰色小屋中。客厅里常常挤满二三十个加州理工学院的学生。钱学森来的时候，总是一身西装，打着领带，皮鞋擦得锃亮。他通常和马利纳一道来。后者是个瘦高个儿，留着精心梳理的小胡子，同样衣饰整洁。他们与周围那一群不太讲究衣着的波希米亚风格的学生们形成鲜明对比。著名物理学家罗伯特·奥本海默的弟弟弗兰克·奥本海默（Frank Oppenheimer）的衣着颇能反应这群人的特征。身材高大、笨手笨脚的他衣服袖口总是磨得破破烂烂，衬衫前面烟灰印子斑斑点点，手指头上也经常沾着来自实验室里的污迹。
将这群加州理工学院的知识分子聚在一起的是他们对动荡国际局势的共同担心：大萧条与纳粹和法西斯主义在德国、意大利和西班牙的兴起。在目睹了席卷美国的失业与饥饿后，许多学生怀疑，卡尔·马克思关于资本主义制度注定将带来全球动乱的预言是否很快就将实现。因此，他们将苏联的社会主义兴起视为以一个激动人心的实验。在德国占领奥地利，撕毁《慕尼黑协定》入侵捷克，扶持弗朗哥在西班牙建立法西斯政府之后，这些和平主义者们提高了警惕。
钱学森发现，这个小组对中国的处境非常同情。1937年7月，日本军队和中国军队在北京附近的卢沟桥交火，这一冲突迅速升级为全面的侵华战争。对于钱学森来说，这场战争对他的影响不仅是情绪上的，而且是经济上的。发给身在美国的庚子赔款奖学金获得者的津贴从每个月100美元削减到了50美元。然后，1937年12月，日本军队攻陷南京，大肆奸杀掳掠，制造了世界历史上最惨无人道的南京大屠杀。在几周时间里，被日本军队杀害的南京人在20万到30万之间。日军的暴行被全世界的媒体所报道，钱学森密切关注着报纸上的事件进展。在威因鲍姆家中的聚会上，学生们分享着钱学森的愤怒与绝望，这对他来说不啻为一种安慰。
在威因鲍姆家中举行的讨论通常遵循特定程序。它比党派的集会严肃一些，但又比大学里的课堂研讨会轻松一些。客厅的咖啡桌上摆着一堆出版物，许多是俄文的。每两到三周，一些参加者会准备一些当众朗读的读书报告。这些书包括马克思、约翰·斯特雷奇（John Strachey）、斯大林和列宁的著作。此后是一个活跃的提问和回答环节。听众们会就书中的理论和观点进行辩论。
会议通常以音乐和茶点结束。20世纪30年代，好莱坞音乐家云集，许多人就职于默片时代剧院的伴奏乐队中。有些人白天在录音棚里录制戴维·拉斯金（David Raskin）等作曲家的名作，到了晚上，则在威因鲍姆家中演奏古典音乐作为放松。当专业的音乐家缺席时，加州理工学院的科学家们成立了自己的业余弦乐团。作为高中乐团教练的儿子，马利纳与威因鲍姆一道演奏钢琴。弗兰克·奥本海默则负责吹奏短笛。他的技巧相当娴熟，甚至达到专业水平。钱学森学会了如何演奏中音竖笛，有时候，他会坐在角落为大家吹奏一曲。
向来孤僻的钱学森依然不为大家所注意。有时候，他一言不发地坐在那里，全身心地投入到与威因鲍姆对弈的棋局中去。他宁愿多听少说，在论战爆发甚至持续通宵时只是坐在一旁静静地听着。正如马利纳所回忆的，这些晚上通常都以激烈的大辩论结束：
我们常聚在一起听音乐，有时也展开辩论。我们总是在晚上聚在一起，有时正讨论着火箭问题，话锋一转，便又回到了西班牙局势上。我们是一个独特的、关系紧密的小组，彼此拥有许多共同的兴趣点，而这将我们凑在了一起。讨论话题经常在音乐、火箭、政治问题和社会组织等问题上变来变去。
与钱学森不同，马利纳在这些讨论中非常健谈。他喜欢棋逢对手的辩论简直胜过一切。身为一个坚定的自由分子和理想主义者，马利纳相信世界和平是有可能的。他说话无所顾忌，经常说出一些可能触怒相对较为保守的朋友的话。其中之一便是A. M. O. 史密斯，在威因鲍姆家中进行的一些讨论常令他瞠目结舌。史密斯回忆道：“马利纳事实上将这个国家的所有问题都归结于它的政治制度。我对此不敢苟同。他太偏激了。”
1939年临近时，火箭研究项目陷入低迷。钱学森将他的主要精力都花在完成博士论文上，其中也包括了他此前与马利纳和冯·卡门合著的部分论文内容。现在，他正努力解决某些压缩流体方面的重要问题。马利纳大部分时间都在风洞中进行关于防止水土流失的防护林带的测试。在与18岁的莉莉娅·达科特（Liljan Darcourt）订婚后，马利纳正在努力让自己成为一个居家好男人。两名成员离开了火箭小组：韦尔德·阿诺德去了纽约，史密斯到一家飞机制造公司担任工程师。没有耐心看到结果的帕森斯和福曼自行发射了几枚黑火药火箭，然后因为缺乏经费而跑去替哈利法克斯（Halifax）火药公司工作。支持火箭研究启动的那1000美元很快就花光了。
敢死队的成员常常处在变动中，因此很难界定。许多人进进出出，有人因为找到其他工作而永远离开，有人则在其他地方短暂工作一阵后又归来。一些获得美国国家青年领袖奖学金的年轻人曾帮助马利纳进行某些火箭试验，但他却并不认为这些人属于火箭小组。奇怪的是，马利纳的前室友马丁·萨默菲尔德虽然参与了许多敢死队的活动，并与马利纳和钱学森一道解决了不少理论问题，他却也不是敢死队的正式成员。我们很难确切地知道敢死队成员每日的交流与互动：马利纳、帕森斯和福曼都已去世，身在中国的钱学森拒绝讨论这一问题，仍然在世而且健康状况良好的史密斯于1938年便离开了火箭小组。敢死队内部似乎存在着不为人所知的派系敌对和政治斗争。据福曼的遗孀说，帕森斯和福曼认为马利纳对他们非常冷酷傲慢，马利纳则在回忆录中写道，他觉得这些人作为研究者来说并不可靠。“帕森斯和福曼经常失踪几个星期甚至是几个月，有时候只有我苦苦维持着火箭项目的存在。有一段时间，钱学森和我可能是火箭小组中硕果仅存的两个成员了。”小组成员中的裂痕似乎反而拉近了马利纳和钱学森的关系。
两年前，身为加州理工学院学生的韦尔德·阿诺德以其慷慨之举拯救了火箭小组，这一回，轮到了另外一个名叫阿诺德的救星现身——美国陆军航空部的亨利·阿诺德（General Henry Arnold）将军。1938年春天，阿诺德将军对加州理工学院进行了一次意外访问。亲眼目睹的火箭研究让阿诺德将军深深着迷，他开始考虑将火箭应用于国防的可能性。此时，欧洲的紧张局势正愈演愈烈，在慕尼黑签署的《慕尼黑协定》将捷克斯洛伐克的德语区割让给了德意志第三帝国。这年秋天，阿诺德将军邀请冯·卡门和密利根前往华盛顿特区，参加国家科学院陆军航空部研究委员会的小组会议。会上，加州理工学院有机会从5个航空部的计划中选择一个执行，其中之一便是关于使用火箭辅助重型轰炸机起飞的研究。麻省理工学院的航空系主任杰罗姆·亨塞克挑选了飞机挡风玻璃除冰装置的研发项目，而把火箭项目拱手让出。他说：“还是冯·卡门比较擅长巴克·罗杰斯（Buck Rogers，当时大众科幻杂志中流行的虚拟漫画人物，一位沉睡了492年的太空探险家）那一套。”
加州理工学院积极接受了这个火箭推进项目。当冯·卡门返回加州理工学院时，他请马利纳撰写一份呈交给国家科学院（NAS）的报告。12月，马利纳前往华盛顿，在国家科学院委员会面前陈述现状：依据当时的技术水平，火箭缺乏辅助飞机飞行所需的足够的推进力。他提议进行一项关于固态和液态火箭燃料及耐燃烧高热发动机的研究。作为对此次报告的回应，1939年1月，国家科学院拨给加州理工学院1000美元进行初步调查并准备一份更详尽的基金申请报告。
马利纳对这笔经费的心情很复杂。他梦想为和平的科学探索建造火箭，却厌恶将它们用做战争工具。“当我被迫研制更好的武器时，我的热情一下子烟消云散。”他这样写道。然而，与此同时，马利纳也担心法西斯主义的蔓延和欧洲民主国家的困境。没过多久，火箭小组——现在只有钱学森、马利纳、帕森斯和福曼4个人了——加班加点地工作得到了回应。为德国入侵捷克所震撼，并听闻纳粹正在上马火箭项目的谣言，美国军方要求在6月份之前看到第一份报告。
然而，就在大家忙得不可开交的3月份，一次几乎致命的事故发生了。不知为何，丙烷泄漏到了氧气罐中，导致火箭主体爆炸。一块金属碎片在墙上撞出了一个洞，它的飞行轨迹距离马利纳平时坐着的椅子只有几英尺高，如果不是当时马利纳因为一些琐事而离开了实验室，他恐怕已经没命了。在这起事故后，加州理工学院禁止在校园里进行任何火箭实验。校长罗伯特·密利根几乎裁撤了整个项目，但冯·卡门却说服他，让这群年轻人继续在古根海姆大楼的地下室里解决理论问题。他们修复了火箭箭身，将它搬到人迹罕至的阿罗约·塞科河谷。在那里，火箭小组的人沿着峡谷建造了非常简陋的实验台。
当年6月，火箭小组终于等来了期盼已久的答复。马利纳提交给国家科学院的报告为他们赢得了1939～1940财政年度的1万美元拨款，用于建造实验基地，购买解决火箭燃料问题所需的原料。这些钱还用来额外支付研究助手的工资。冯·卡门主修航空学的学生霍默·斯图尔特和马利纳的朋友和前室友、主修物理的马丁·萨默菲尔德均在此时以此种方式加入。研究的目标是制造出可以让飞机“有超常表现”的固体和液体火箭燃料。
这是火箭小组的一个激动人心的时刻——尤其是对钱学森来说。1939年6月9日，他刚刚毕业。在一个晴朗、温暖的日子里，钱学森身着长袍，头戴博士帽，等待接受博士学位——这一年，共有32人拿到了博士学位。毕业典礼在户外举行，地点靠近校办公楼。在过去的一年中，随着克里林实验室和克尔克霍夫生物东楼等新建筑陆续建成，加州理工学院的校园迅速扩张，从而标志着大萧条的就此结束。与拿到物理学博士学位的弗兰克·奥本海默一道，钱学森在乐队的伴奏下列队走过校园。
在毕业致辞交替进行时，钱学森很难不回忆起在加州理工学院的短短3年时光里他所经历的种种变化。不过4年以前，他刚刚完成对中国国防飞行基础设施的考察。现在，他的祖国正与日本开战。以前，他只从教科书上和学术论文中见过冯·卡门的名字，现在，他已经是冯·卡门的爱徒——或许是最好的一个。前几年，他和马利纳还在费尽心机地用垃圾场里捡来的零件组装火箭，120美元的资金缺口差一点就让他们的努力烟消云散。现在，资金像潮水一样涌向他们，大权在握的将军为他们的研究大开绿灯。
1939年，钱学森在《航空科学杂志》上发表了一篇题为“二维空间下压缩液体的亚音速流动”（Two-Dimensional Subsonic Flow of Compressible Fluids）的文章。这篇注定将成为经典的论文代表了钱学森在加州理工学院所做的最重要的科学工作之一。在这篇论文中，提出了著名的“卡门—钱压力校正公式”（Kármán-Tsien pressure correction formula）——一个在未来数十年中设计高速飞行器的工程师们不可或缺的公式。据如今已作为业界著名工程师而退休的史密斯说：“在现代计算机出现前，几乎无人不用卡门—钱公式。”
到1939年时，飞机制造遇到了一个危险的新现象：压缩效应。当飞机的构造变得越来越复杂，速度越来越快时，飞行员们开始体会到空气中的猛烈震动。这种被称为抖振（Buffeting）和振颤（Flutter）的现象有时会令飞机突然失去升力，从半空中急坠。1941年，在试飞洛克希德公司制造的一架飞机时，一名飞行员因为飞机失控而丧生。与此同时，还有说法称“寇蒂斯SB2C地狱俯冲者”（Curtis SB2C Hellper）轰炸机的振颤现象极其严重，甚至发生过尾翼断裂的情况。这是因为，作为压缩气体的空气，其气体分子间距缩短，所占空间减小。当以低速飞行时，它们所起的作用微乎其微，但当飞机接近音速时，空气便会在机翼上层表面聚集，形成气泡。逐渐累积的压力导致飞机失速坠落。问题清清楚楚地摆在面前：飞机工程师需要借助更精确的公式完成设计，将高速飞行时可能发生的这种现象计算在内。
在高速电子计算机出现之前的时代，工程师们设计飞机的惯常程序是作出一系列物理猜测，然后根据实际状况得出一个数学模型。在工程师们计算亚音速或超音速飞行时机翼所承受的压力时，卡门—钱压力校正公式可以帮助他们校正因为简化而导致的误差。相对于此前空气动力学家所提出的理论，这是一个巨大的进步。在卡门—钱公式问世前，旧有公式只能计算出相当于音速一半时气流的扰动近似值。这些老一代的、不那么准确的公式的代表之一是普朗特—格劳特公式（Prandtl-Glauert formula），它是冯·卡门的老师普朗特的突出贡献之一。
威廉·西尔斯回忆起在冯·卡门家中看到钱学森和冯·卡门一道研究这一理论时的情形：
他们在数学细节上有一些小的分歧。分头给出分析结果时，两人的答案居然有不小的差异。我很想知道教授和他聪明的学生到底谁对谁错，于是就竖起耳朵细听。他们回到开始重新计算，逐行比较计算过程。他们居然都是对的！在构建这样的一个近似理论时，他们在某个特定步骤采取了不同的方法，这样得到的结果在近似值许可的范围内被认为是等同的。
1939年秋，已经成为航空系助教的钱学森继续与冯·卡门一道从事空气动力学领域的工作，并和马利纳共同寻找固体燃料问题的解决方案。
他们的目标之一是建造一个足够强大的、能够在起飞时为飞机提供推动力的火箭发动机。这意味着要在10～30秒的时间里提供1000磅以上的推动力。钱学森和马利纳可以在液体推进剂或固体推进剂中选择其一着手研究。液体推进剂燃料可以与气态或液态的氧一道流入燃烧室，而固态推进剂燃料的化学配比中却自带氧化剂。两种推进剂都有相当大的问题。能够在一定时间内提供推力的液体燃料火箭容易设计，但却很难控制。固体燃料容易控制，符合军事应用需要，但当时没有一台使用固体推进剂的引擎燃烧时间可以超过3秒钟。大多数专家认为，持续时间较长的固体燃料引擎根本就不可能存在：燃烧室内部逐渐积累的压力会将整个火箭炸成碎片。通过一次又一次的实验，帕森斯和福曼仿佛只是验证了这些专家的正确性。他们设计了无数黑火药的配比方案，并据此改进发动机，但最终的结果不是马上爆炸就是根本无法点燃。
所有这些都令关于火箭研究是否有价值的怀疑论调甚嚣尘上。“火箭”这个词本身就容易让人联想起那些爱好者们的业余活动和科幻杂志里的夸张叙述，加州理工学院因此决定，使用更晦涩的“喷气推进”一词代替。不过几个月前，加州理工学院的物理学教授弗里茨·茨维奇（Fritz Zwicky）还把马利纳称为“该死的笨蛋”，他咆哮着说道：“难道你就不知道，火箭必须依靠推动空气才能得到推进力吗？”在军方，也有高层怀疑国家科学院的钱是否花到了正地方。当阿诺德将军的副官本杰明·奇德劳（Benjamin Chidlaw）1939年访问加州理工学院时，他问冯·卡门：“你真的认为空军应当把成千上万的美元花在这个什么火箭上吗？”
没有被这些怀疑所吓倒，火箭小组继续研究固体燃料引擎的问题。一些晚上，钱学森甚至在马利纳家中工作。马利纳现在和他的妻子住在科德瓦大街1288号的一栋小房子中，这里离校园很近。这是一栋一层楼的白色小木屋，外墙为爬山虎所覆盖。院子里种着大丛粉玫瑰，香气袭人。晚饭后，钱学森和马丁·萨默菲尔德带着笔记本、铅笔和计算尺前来。他们和马利纳一头钻进他的“办公室”——改造过的门厅，里面有一部黑色电话、一张桌子、几个木马和几张破烂不堪的椅子。没过多久，桌子上就堆满了写满方程式的纸张。当深夜温度渐低时，他们会打开电暖器，继续工作。马利纳的前妻莉莉娅回忆道：“你可以听见他们的谈话声。他们总是聚在一起比较彼此的笔记，争论‘这个一定是错的，它不可能对’，而马利纳就尖声喊道：‘才不是！才不是！’然后，他们便会突然都笑起来。听上去他们挺开心的。”
在另外的一些晚上，钱学森会在古根海姆大楼三层的办公室里工作到很晚。一位当时在加州理工学院就读的研究生回忆道：
一天清晨——那天是假期，不是感恩节就是圣诞节——我去办公室加班赶功课，整栋大楼里只有我一个人。于是我就把录音机的声音开得非常大。我清楚地记得，那时放的曲目是《时光之舞》（Dance of the Hours），里面有一段节奏非常强劲。在这段音乐进行到一半时，我听见巨大的敲墙声。原来我打搅到了钱学森。我这才知道，中国学生比犹太学生更刻苦用功。这之后，钱学森送给我几份他关于亚音速下压缩校正公式的最新论文，作为在我欣赏音乐时向我大吼大叫的道歉。
到1940年之时，火箭小组已经基本解决了火箭燃料问题。那年夏天，冯·卡门完成了4个描述理想条件下使用限制燃烧的固体推进剂的发动机的公式。而马利纳则证明，如果喷气管喉部的面积与推进剂的燃烧面积比是一个常量的话，这样的发动机在理论上便是可行的。
在大多数美国人眼中，1940年的美国虽然没有宣布参战，但已卷入了欧洲的战争。在希特勒空袭伦敦之时，美国政府由国防部出面，向英国提供了大量武器、飞机和弹药，并对日本实行飞行燃料、钢铁和废金属禁运。军费如流水一般滔滔不绝地花出去。罗斯福总统号召每年制造5万架战斗机。议会投票通过了170亿美元的防务费，比前一年增加了19亿美元。毫不意外地，国家科学院也增加了对加州理工学院的拨款，在1941财政年度拨给火箭小组22000美元。
对于钱学森来说，1940年也意义非凡。这一年，他收到了一封来自王助上校的信，要求他回国效力，尽一个庚子赔款奖学金获得者的责任。按规定，钱学森在美国的最长停留时间本来只有3年，但他却已经在这里待了5年之久。他已经从加州理工学院毕业，他的学生签证也即将到期。一位接受美式教育、毕业于加州理工学院的空气动力学家如能回国效力，他的所学将可以立即帮助一个正在经受日本空袭和轰炸的国家。
当钱学森3年前离开中国时，他的计划一定是在学业完成后就返回祖国。然而，很清楚的是，一些情况改变了，尤其是在他回到加州理工学院之后。
钱学森比谁都清楚，回国不只是意味着要放弃一个在备受支持的环境下与一流人才共同解决最前沿问题的机会，一旦他返回中国，他在科学领域继续有所突破的日子就结束了。中国需要科学家们用他们的才智帮助保卫祖国，而不是坐在那里思考太空旅行的数学解决方案。这也不是一个研究环境的问题，尽管钱学森心知肚明，与马利纳和其他加州理工学院科学家的友谊令他在加州理工学院的生活相当令人满意。任何一个有过成功团队协作经验的人都会明白，当曾经付出的努力马上就要看到回报时却不得不离开，那将是多么令人遗憾。回国的决定一定曾让钱学森十分纠结。
然而，他的祖国需要他，他的家人想念他，他的荣誉感也在驱使着他。
马利纳在一幅漫画中画出了钱学森复杂的情绪。在这幅画中，钱学森拿着一枚蛋，一端写着“美国”，另一端写着“中国”。他前后摆弄这枚蛋，看起来心事重重。
钱学森试着争取在美国多待一年。他答应为中国航空研究局担任一年顾问，以示诚意。钱学森请求冯·卡门为他的事情向中国政府陈情。在1940年4月20日写给王助的信中，冯·卡门写道：
我想要强调的是，并不是我有意拖延钱学森博士为中国效力。然而，正如你所说的，我相信一个人可以以另外的方式更有效、更忠诚地为他的祖国服务。我认为，让钱学森在回中国前在航空工程学和航空科学的不同领域继续从事某些研究工作，这不仅是为了钱学森的前途，也是中国的利益所在。他已经在高速流体力学和结构学领域有了突出建树。我们现在正在研究船舶的流体力学问题。我认为这是一个非常重要的项目，而且对你所在的机构来说，有一个深入了解海平面流体力学问题的人也有益无害。
出于这些观点，我建议让钱学森在加州理工学院多待一年。当然，作为一名合作者，我非常欣赏钱学森的出众能力和个人品行，但相信我，亲爱的王助上校，我的建议并不是缘于自私。
12月，加州理工学院方面开始为钱学森准备留在美国所需的相关文件。他们要求美国移民与归化部将钱学森的签证有效期延长两年，在那之后，钱学森准备返回中国，任职于重庆的中央研究院。与此同时，钱学森也给成都的航空研究局寄了一份用中文写成的论文，题为“预测可压缩气流分离之方法”，其中包含了他最出名的压力校正公式。
战争的到来使钱学森在接下来的几年中从敢死队的活动中抽身而出。国家科学院的火箭计划属于保密项目，而钱学森没有美国国籍，因此无法得到必要的保密许可证。1940年，钱学森与马利纳在研究上分道扬镳。但他很快在加州理工学院找到了新的朋友圈，其中大部分是中国人。钱学森参加中国学生组织在校园中举行的集会，替中国自然科学协会撰写西海岸部分的章程。“我听到他们彼此用中文交谈，中间夹杂着‘微分方程’或‘代换’这样的英文术语，”费耶尔回忆道，“当他们进行科学讨论时，最方便的方式依然是使用中文。”
钱学森与张捷迁此时走得特别近。身为加州理工学院航空工程系毕业生的张捷迁与钱学森最初相识于清华大学。1934年，钱学森出国前夕参观中国航空工业设施时，邂逅了当时在蒋介石的资助下建造设计中国第一个大型风洞的张捷迁。1935年，张捷迁成为弗兰克·华敦德（Frank Wattendorf）的助手。后者也是冯·卡门的高徒之一，当时在清华大学担任航空学教授。当冯·卡门于1937年访问中国时，他为张捷迁提供了一份到加州理工学院学习的奖学金。张捷迁于1940年9月抵达帕萨迪纳，与钱学森共用位于古根海姆大楼第三层的一间办公室。在一年多的时间里，张捷迁几乎每天都与钱学森见面。张捷迁回忆道：
钱学森和我是非常好的朋友。他很沉默，很内向，从不对政治问题表露情绪，只有那么偶尔一次，最多两三次的样子。我们都对日本入侵中国非常担忧，深感失望。当时我们认为中国已经没有希望了。我们虽然心念国事，但却感到无能为力。
我们每天都在一起吃午饭和晚饭。有时候工作繁忙，我们甚至在晚饭后还要回到办公室。我有时会早点走——大约在12点之前。而钱学森却夜以继日，无休无止。常常过了午夜，他的房间还是灯火通明。
作为一名外国人，钱学森受到了美国政府的审查。1940年，《外国人登记法案》通过，美国政府从而可以更有效地对来自敌国的外国移民加以监控。尽管钱学森来自美国的盟国，但这年夏天，钱学森依然要根据法案规定提交指纹记录，并从移民局处得到一个以A字母开头的身份编号。所有手续于1940年12月2日全部办妥。
钱学森在不涉密的领域中继续从事空气动力学研究。从1940年到1942年间，钱学森关注的主要是结构屈曲问题。随着在飞行器的设计中金属逐步取代了木头和纤维，而航空工程师们也致力于寻求既轻便又结实的新材料，这个问题正在变得越来越重要。对于工程师来说，精确了解不同材料的局限性和预测最可能发生屈曲问题的结构位置非常重要，只有这样，他们才能有针对性地对这些地方予以加固。
在两年多的时间里，钱学森撰写了多篇关于球体外壳、薄圆柱体外壳和圆柱结构屈曲问题的论文。其中一些是与冯·卡门和新近从加州理工学院毕业并加入航空系的路易斯·邓恩（Louis Dunn）合作完成的。当工程师们设计飞行器的不同外形时，便可以参照这些理论性的论文作为模板。航空系的同事们清楚地记得，在校园里进行的一项实验证实了钱学森的许多理论预测。根据数学演算，钱学森发现，圆柱状外壳的屈曲模式通常为钻石形状的。为了证实这一发现，他们在航空系大楼的外面，立起了一个10英尺高、直径3英尺的金属圆柱外壳。通过缓慢注水，他们从圆柱内部施加压力。慢慢地，金属外壳开始变形，出现了许多钻石形网格。“确切无疑，理论准确预测到了现实发生的事情。目睹自己的理论通过实验加以验证，钱学森本人也兴奋不已。”加州理工学院校友伯纳德·拉索夫（Bernard Rasof）回忆道。
钱学森还受邀参与加州理工学院的风洞设计工作。这个风洞可以模拟产生超音速气流。冯·卡门最初向美国陆军航空部提出建造这样一个风洞的设想，但却被驳回。冯·卡门当时的助理、后来曾担任休斯飞机公司首席执行官的艾伦·帕克特（Allen Puckett）回忆道：“他得到的答复是，美国陆军航空部对于建造超音速风洞不感兴趣，因为飞机永远都不可能实现超音速飞行。”接下来，冯·卡门又找到了美国陆军军械部，说服他们，这样的一个风洞对于研究超音速炮弹非常有必要。几年后，帕克特写道：“我永远都不知道他是怎么做成的这笔生意，对于陆军军械部来说，一个风洞就跟脑袋上的一个洞一样，没有任何用处。”最终的结果是，陆军军械部给了加州理工学院1万美元，用于建造一个口径仅为2.5英寸的风洞。3个人参与了这一项目：钱学森负责设计中的数学计算，曾任帕洛玛（Palomar）望远镜项目首席工程师的马克·塞吕里耶（Mark Serrurier）负责机械设计，而艾伦·帕克特负责理论部分，如喷嘴形状设计和性能计算等。此外，他还负责风洞的使用和管理。
到1942年的时候，他们已经造出了全美第一个可以达到4马赫速度的连续运行的超音速风洞。它是后来帕克特为阿伯丁试验场的弹道研究实验室所设计建造的大型风洞的模型。后者口径为15×20英寸，需要1.3万马力的能量带动，是美国的第一个大型超音速风洞。
或许是因为从事了这项工作，钱学森在《航空科学杂志》上发表了一篇题为“风洞的收缩圆锥设计”的论文。收缩圆锥形如漏斗，当风从里面穿过时，逐渐缩小的口径会增加风的速度。1942年，钱学森发现，如果圆锥某些部位的曲度过大，便会产生边界层流。如果出口一端风速过高，则风洞则面临压缩震波的危险。在论文中，钱学森给出了一个公式，可以让气流速度低于亚音速风洞中的音速。他在麻省理工学院风洞实验中遇到的问题，此时终于得到了解决！
1941年12月7日，钱学森被隔离于高级别军事项目之外的状况突然中止。在这一天，来自夏威夷的消息令全美震惊。日本于该日凌晨突袭珍珠港，几乎全歼美国太平洋舰队。依仗技术之利，敌人已经兵临城下，美国再不能靠着大洋的天然屏障而置身事外。美国人立刻作出了反应。洛杉矶严阵以待可能到来的下一次袭击，本地飞机公司则将重要资产转移到内陆，好莱坞的布景师把飞机装配厂伪装成草坪和城市街道。许多美籍日裔和日本移民尽管身为守法的美国公民，但也被送进了集中营。在这种全国紧急战备的氛围下，美国不能再容忍浪费中国科学家的智慧成果了。早在珍珠港事件爆发前，1941年8月，美国司法部就已经将钱学森的移民身份从学生改为访问科学家，从而令其可以继续自己的研究。到1942年，冯·卡门深信钱学森对与美国政府的价值，因此亲自安排帮助钱学森获得加州理工学院军事项目的保密许可证。“我从来都没有对钱学森忠于美国这件事产生过一丁点儿的怀疑。”冯·卡门写道。
显然，美国政府也这么认为。在例行公事的检查之后，钱学森的保密许可证在12月1日由美国陆军元帅办公室负责内部安全事务的负责人巴特尔（M. S. Battle）上校正式签署通过。现在钱学森可以参与所有涉及陆军、海军、陆军航空部、国防部和科学研究发展办公室的机密合同的工作，接触到他此前不被获准接触的高级别保密内容。1942年，钱学森再度加入马利纳的火箭研究，他们的合作催生了美国第一批军事导弹。