20世纪40年代中期无疑是钱学森一生中最愉快、最成绩斐然的几年。他刚30出头，创造力正值顶峰。在当了4年助教后，钱学森得到了在加州理工学院担任航空助理教授的聘书，1943年秋天，他欣然走马上任。尽管钱学森与中国政府此前签有在美国只多待一年的协议，但此时的中国正依赖美方援助对抗日军侵略，因此并未将此事予以深究。在加州理工学院，钱学森将自己的时间平分为两部分，一半用于教学，另一半则投入到空气动力学和喷气推进的研究上去。正如年轻时代在亚琛大学担任教授的冯·卡门一样，钱学森也要学会在战争时期周旋于学术界、产业界和政府这三者之间。
整个20世纪40年代，加州帕萨迪纳经历了令人瞩目的迅速增长，以至于商界将这10年称为“奇迹10年”。那是洛杉矶飞机制造业急速膨胀的几年，仅为美国政府就制造了10万多架飞机。光是看一眼统计数字就足以让人震惊：1939年，洛杉矶城里从事飞机制造业的工人不过13300名，到了1941年，就增长到了113000人。那时候，飞机制造业提供了整个城市40%以上的就业机会，对工人的需求大到要雇用童子军挨家挨户地散发招工启事，广播电台和社区布告栏里也充满了这样的宣传：“在飞机制造厂工作，乐趣无穷！”
在校园中，随处可见战争所带来的变化。根据海军的“V-12人才培养计划”，加州理工学院的本科生人数增加了一倍，造成宿舍严重紧张。每天早晨，起床号将整个校园唤醒，学生们按部就班地做早操、上课、吃饭、接受检查。动不动就来上一场阅兵或操演，蓝色海军制服或橄榄绿色的陆军制服基本上成了校服。一位加州理工学院的校友回忆道：“本科4年毫无花样，没有一点儿搞怪胡闹的空间。”
阿罗约·塞科河谷也变了样子。5年以前，敢死队的实验基地旁，只有鬼门大坝静静伫立，白色闸门孤零零地迎向破晓前清冷的空气。现在，古根海姆航空实验室与市政当局谈妥，租下了阿罗约·塞科河谷里的7英亩土地，河岸西侧建起了钢筋水泥的高楼，警卫24小时巡逻。钱学森需要持有安全通行证才能进入。干枯的河床一度是敢死队的男孩们欢呼跳跃、摩拳擦掌捣鼓火箭的地盘，现在却成了门禁森严、闲人免进的军事研究基地。
钱学森没过多久就重新获得了自由出入阿罗约·塞科河谷的许可。走在坑坑洼洼的土路上，钱学森低头就能见到河谷里几栋又小又寒酸的铁皮顶木屋。马利纳几年前曾经占用过其中一栋，另外两栋是新建的实验室，还有一座走廊极其狭窄的办公楼——如果两个人同时打开门走出去，“你很可能被磕掉大牙”，一位建筑师如此回忆道。（建筑早期，房屋严重不足，以至于马丁·萨默菲尔德被迫把自己的汽车当办公室。）山的一侧开掘出了几个实验隧洞，在那里进行液体和固体推进剂的实验工作。从上往下看，这些铺着铁轨和枕木的隧洞呈现出奇特的三角形。
此前的火箭实验差一点把加州理工学院炸翻。这些隧洞是为了让有关火箭发动机的实验可以在一个安全一点的地方进行。工程师们站在隧洞外，借助望远镜或防弹玻璃后的窥视孔观察实验的进行情况。点火后，火箭发动机开始震颤起来，令整个实验室都为之震动，低沉的轰鸣声淹没了所有的对话，令人仿佛置身于尼亚加拉瀑布旁边。有时候，当爆炸产生的碎片和气流激射到混凝土墙壁和地板上的时候，工程师们会忍不住下意识地向后跳开。“半数以上的时间，火箭发动机以爆炸告终，钢铁碎片喷射得到处都是。”一位当事人回忆道。附近的居民不停抱怨河谷里回荡的奇怪噪音和爆炸声，尽管他们不知道原因。直到战争结束很久之后，他们才知道，在阿罗约河谷到底发生了些什么。
许多进展发生在钱学森缺席的那几年时间里。火箭小组已经制造出了美国第一台喷气助力起飞发动机（JATO）。实验初期的火箭只是些1英尺长、装有两磅黑色火药的小家伙，它们并不成功，因为喷气助力起飞发动机经常在点火时发生爆炸。后来，杰克·帕森斯发现了其中奥妙：喷气助力起飞发动机必须在完工后马上点火，否则火药中就会形成缝隙。1941年8月的一天，24台喷气助力起飞发动机被火速运往加州河滨镇的马奇机场（March Field），绑在由空军上尉霍尔姆·鲍诗依（Homer Boushey）驾驶的一架小型低翼厄科普（Ercoupe）飞机上。火箭点火之时，“飞机像被弹弓弹射一样拔地而起，”冯·卡门多年以后回忆道，“我们从来没见过飞机以如此陡峭的角度向上爬升。”这一年，美国国家科学院不仅继续向加州理工学院提供研究基金，还从1942年财政年度开始时，将总数提高到了12.5万美元。
美国海军随后与加州理工学院签订了研发下一代喷气助力起飞发动机的合同。这一次，他们希望火箭小组制造出可以将200磅的负重推送至空中并停留8秒以上的发动机。这就需要有更好的燃料。1942年，帕森斯发现，如果把铺路所用的沥青和油加热到350华氏度（相当于176.6摄氏度），然后与高氯酸钾混合，浇注成形并冷却，就能满足这一需求。这块看起来好像一块硬邦邦的沥青砖似的东西，在产生的推动力和燃烧持续时间上都超过了黑色炸药。每平方英寸的新燃料可以提供2000磅的推动力，如果配上合适的喷嘴，它能够令每秒5900英尺的推进速度成为可能。此外，这种燃料可以保存在高温和低于零下的寒冷环境中。
在阿罗约河谷工作过的工程师们都清楚地记得，在20世纪40年代，固体推进剂是如何从一根香烟大小的很快就能燃尽的燃料棒，演变成可以全面燃烧的中空燃料柱的。这样做的目的是在短时间内将推进剂的燃烧面积最大化，从而增加最关键的起飞第一阶段的火箭推动力。研究人员开始时采用的办法是在圆柱形推进剂的中间挖出一条细细的圆柱形管道，后来，古根海姆实验室之外的研究机构研发出了一种更精巧的办法，可以在推进剂柱中挖一个星形的长管道，极大地增加了推进剂内部的燃烧面积。然而，在20世纪40年代早期，固态推进剂仍因太爱挥发而不适用于军事用途。（固态推进剂的一个危险因素是混合于燃料内部的氧化剂。一旦点燃，在推进剂烧尽之前，根本无法将其扑灭。）
研究小组将注意力转向了液态燃料。他们尝试了汽油与红色发烟硝酸的不同混合配比，但这会使电动机振动失控并发生爆炸。最后，人们开始使用苯胺，它不仅可以解决振动问题，而且几乎与硝酸同时燃烧，从而无需再使用辅助点火系统。1942年4月15日，小组人员在一架道格拉斯A-20A轰炸机上测试了两台喷气助力起飞发动机。它们使用液态燃料提供动力。实验在莫哈韦沙漠中的穆洛克基地（Muroc Field）举行。当飞行员保罗·戴恩（Paul Dane）少校点燃发动机时，这架自重20000磅的飞机依靠喷气助力起飞发动机所提供的2000磅冲力，“像是被突然拽上了天”。马利纳高兴地写道：“我们现在可有了真正管用的东西，应该可以把法西斯主义者们送到地狱里去了！”这是第一架在美国起飞的装有永久性火箭动力系统的飞机。用冯·卡门的话来说，它标志着“美国有实际应用价值的火箭学的开端”。
马利纳和他的团队用了3年时间就得到了如此令人瞩目的成就。3年中，政府对该小组雇用的人数和项目预算似乎全无限制。到1943年，超过80个人在马利纳手下工作——与最初仅有5名创始成员的“敢死队”相比，着实是一个巨大的飞跃。一些人致力于研究空投鱼雷，另外一些人则从事不同的液体和固体燃料的研究。1943年，小组成员被告知，下一个财政年度，来自美国国家科学院的项目资金将增加到65万美元。
马利纳的领导才能也扩展到了阿罗约河谷之外。1941年，马利纳建议加州理工学院的火箭小组成立一家制造喷气助力起飞发动机（JATO）的公司，并将产品卖给军方。公司创办时，钱学森也参与了一些外围工作。他和马利纳曾帮助冯·卡门的一个律师朋友安德鲁·黑利（Andrew Haley）解决了某些数学问题，从而帮黑利赢得了一桩涉及水坝建造许可证的复杂的法律案件。1942年，黑利来到帕萨迪纳，帮助火箭小组成员开办了美国航空喷气发动机（Aerojet）工程公司。冯·卡门担任总裁，马利纳担任财务主管，帕森斯、萨默菲尔德和福曼担任副总裁。他们每个人都拿出200美元，成为公司股东。黑利自己则拿出了2000美元。钱学森经常被请去从事顾问工作。公司最初的办公地点是东科罗拉多街上的一间小屋子，原来是一家榨汁机生产商的办公室。与此同时，在离帕萨迪纳只有几分钟车程的盛产橘子的阿苏查镇，一个占地1英亩的河谷地中，喷气助力起飞发动机实验台也在紧锣密鼓地建造中。到1942年12月，美国航空喷气发动机公司已经拥有120名员工。1943年，当海军将一个建造用于舰载飞机上的喷气助力起飞发动机的大合同给了美国航空喷气发动机公司之后，这家公司经历了第一次飞跃。在被通用轮胎公司收购后，美国航空喷气发动机公司迅速成为全美最大的火箭和推进剂制造商，在20世纪60年代发射了美国第一艘太空火箭，并建造了全世界最大的火箭发动机。1994年，作为美国通用公司的一个子公司，美国航空喷气发动机公司的年销售额超过5.94亿美元。
在所有这些科学活动紧锣密鼓地进行时，加州理工学院里，也开始流传着关于约翰·帕森斯奇怪的夜生活和周末的谣言。留着黑色小胡子的帕森斯感情丰富而又略带阴郁，冯·卡门在自传中形容他为“一个杰出的化学家和一个讨人喜欢的怪人”、“喜欢对天朗诵异教诗歌，还用脚打着拍子”。1942年6月，帕森斯搬到了南橘林（South Orange Grove）1003号上的一栋挪威风格的红木别墅中。在帕萨迪纳，这是一个被称为“百万富翁街”的富人区。在帕森斯别墅的前门，摆着一个身穿燕尾服的人体模特，手里举着一块写有“住户”的牌子，旁边是一个用来收垃圾邮件的大袋子。在后门，则放着一大罐敞着口的火药，帕森斯吹嘘说，它们足可以将整个街区炸飞。一个客人回忆道：“它总是敞着口，从来不盖上，因为那会让它显得没那么可怕。”许多年后，客人们还记得，帕森斯的房间里贴着金箔制的壁纸，家具也都金碧辉煌。一个房间装有昂贵的音响设备，以雕花软革包住墙壁，墙上还挂着一幅阿莱斯特·克劳利（Aleister Crowley）的大幅画像。伦敦的花边小报曾经将“有史以来最邪恶的人”的称号赐给他。
克劳利是邪教组织“东方圣殿教”（Ordo Templi Orientis，缩写为OTO）的一名大头目。1943年后，东方圣殿教南加州分会实际上是在帕森斯的领导之下，由他在装饰得如同“东方圣殿”的别墅密室中主持仪式。帕森斯最好的朋友和“敢死队”小组成员爱德·福曼也是一名教徒。到了晚上，当地的东方圣殿教教徒穿上长袍，进入密室。人们常常能听到紧锁的大门里面传来低声的吟颂和普罗科菲耶夫小提琴协奏曲的声音。这些教徒们都信奉“无法无天，随心所欲”的教条。
他们在一些大派对上会举行某些仪式，那时候，别墅里简直人山人海。联邦调查局从1940年就开始对帕森斯的狂野派对录音，那时候他甚至还没搬到南橘林。有时候，在阁楼正中，两名穿着绣花长袍的女子围着火堆翩翩起舞，周围是顶上摆满蜡烛的棺材。“那时候，我脑子里想到的只有一件事，”一名客人回忆道，“如果长袍着火了的话，整栋房子都会像个火药箱一样被崩上天。”在另外的一些场合中，会有全身赤裸的孕妇跳过火圈。在这些派对上，客人们总是请求帕森斯朗诵克劳利的诗。他的朋友们会喊着说：“来一首《潘神颂》！来！来！来！《潘神颂》！”然后，帕森斯就会深吸一口气，开始朗诵这首诗。他的声音顿挫有力，每当读到“潘”这个词的时候，便会重重地跺一下脚：
来吧！来吧！
魔界放肆的情欲，已让我麻木！
哦潘！哦潘！哦潘！哦潘潘潘！
富人和怪人都成了南橘林别墅的座上宾，他们渴望亲眼见证那些性爱魔法。许多人决定搬到这里居住。帕森斯的家里很快就住进了一名歌剧演员，几个占星师，还有那些著名的作家，比如科幻作家卢·戈德斯通（Lou Goldstone）和后来写出畅销书《戴尼提》（Dianetics）并创办了科学教的海军军官罗恩·哈伯德（Ron Hubbard）。
帕森斯总是有出人意表之举。有一次，或许是在1941年11月4日那天，马利纳接到了一个电话，通知他，加州理工学院古根海姆实验室火箭项目中的某人被投入了监狱。马利纳回忆道：
那人是与杰克共事的一名机械师，看起来，他去过帕森斯的别墅。他们在那里举行降神会——具体做什么我就不清楚了——（那个机械师）拿着把枪，在附近路边找到一辆停在那里的汽车。有一对情侣正在里面耳鬓厮磨。那个机械师用枪指着他们，逼二人下车，然后抢过汽车一直开到好莱坞，显然自己都不清楚自己在干些什么。在那之后，过了相当长一段时间，他才开车回到帕萨迪纳。他一到科罗拉多大桥的旗杆那儿，警察就已经等在那里了。
我到监狱去找这个家伙谈话，问他到底是什么让他做出如此愚蠢的事情。他什么都记不清，我从帕森斯和福曼口中也什么都没得到……不过非常明显，不管他们搞什么鬼，帕森斯和福曼都在干着一些令人担忧的事。
1944年，帕森斯离开了喷气推进实验室，次年，他又告别了美国航空喷气发动机公司。他英年早逝，去世时仅有37岁。1953年6月，在准备迁居到墨西哥去的时候，帕森斯在自家公寓楼下的停车场里收拾实验设备。显然他不小心失手打翻了装在咖啡罐里的混合雷酸汞（一种烈性爆炸物），爆炸发生了。今天人们仍在猜测他的死因，争论那到底是一次意外，还是自杀或谋杀。
拿到保密许可证之后，钱学森得以涉足美国国防部、空军和陆军军械部的保密合同，这些合同都以10到20位数字代码加以命名。钱学森的日程变得越来越紧张：1943年4月，他完成了一项关于高速飞行时XSC2D整流罩上方压力分布的研究；7月，一份关于使用喷气机所产生的喷射力作为启动液态推进泵的能量来源的报告出炉；10月，关于向固体推进剂中添加金属固体以改善性能的可行性报告问世；1944年5月，钱学森提出报告讨论压缩机或涡轮机中叶片变形所带来的影响；当年8月，他又替喷气推进实验室完成了一份关于平坦表面与高速气流间热转换的文章。
那一年，钱学森与其他人一道，为政府选派至加州理工学院攻读航空学硕士学位的空军和海军军官讲授特殊课程。这些人不过二三十岁，其中大多数已经结婚生子，拥有工程学学士学位，而且有着出众的领导能力。这些被精心选拔出来，送到加州理工学院参加这项为期数月的培训计划的军官，都被认定为有潜质成为未来美国国防工业研发项目的领导人。
按规定，钱学森只教两门课，一门是工程学数学原理，另一门则为喷气推进理论。但在这些学员的学习生活中，钱学森却几乎无所不在。每个周六上午，当这些军官们驱车前往阿罗约河谷进行实验室实习工作时，钱学森总会在那里出现，为他们开设讲座。当时流传着一个故事：当一名学生发现钱学森在一天里接连作了3个不同主题的讲座报告时，他带点儿怒气地喊道：“喂，等到礼拜天，他不会该给我们上圣经课了吧！”
和许多教授一样，钱学森也因为需要把精力从尖端研究转向教学任务而感到不快。他显然并不认为教书育人是自己的主要任务。钱学森依然热心地准备教案，但他却毫不掩饰自己对这种强制性教学任务的厌恶——或许，他只是认为要教的这帮明星学生并不像加州理工学院的学生们那么聪明。“如果有人问了个愚蠢的问题，钱学森根本就不会回答。”霍默·乔·斯图尔特回忆道。他还将禁止这些提问者再来上他的课。据A. M. O. 史密斯回忆，一个倒霉的研究生向钱学森表达了想修他的课的愿望，但钱学森却认为他不够格，并且毫不留情面地当面对他这样说。然而，这些军方特别计划中的学生们并无选择。对于他们来说，钱学森讲授的工程学数学方法是必修课。“大多数学生都怕死了这门课。”来自俄亥俄州莱特基地的空军军官切斯特·哈瑟特（Chester Hasert）回忆道。
学生们清晰地记得钱学森数学课上的情景。这门课的授课地点在古根海姆大楼的第三层。“他总是迟到一两分钟，我们总是坐在那里，猜测他到底会不会来。”哈瑟特回忆说，“他急匆匆地走进来，一句话不说就开始在黑板上写板书。他是个非常严厉的人，但这也是他所教授的数学这门学科对思维严谨的要求使然。”一言不发的钱学森会用细小而工工整整的板书将整块黑板逐渐填满，“没有擦写涂改，也不会回头更改哪怕是一个符号，”钱学森的学生韦伯斯特·罗伯茨（Webster Roberts）回忆道，“他总是能正好在一堂课结束前给出正确的答案。”
在课堂上，钱学森的评语切中要害但又非常冷酷。有一次，一个学生举手发问道：“我不明白第二块黑板上的第三个等式。”钱学森根本就不予回答。另一位学生问道：“喂，你不回答他的问题吗？”钱学森只是说道：“那是个事实陈述，不是一个问题。”
另一次，一名学生问道，钱学森刚刚提出的方法是否“万无一失”（foolproof）。钱学森冷冷地瞪了他一眼，然后刻薄地答道：“只有傻子（fool）才需要万无一失的方法。”在另外的一个版本中，钱学森的回答则是：“没辙，傻子总会犯错误。”哈瑟特回忆说：“有时候钱学森嘴里冒出来的句子拐弯抹角，我们要花上一段时间才能理解他到底想说些什么。”说完这句话，钱学森就放下粉笔，大步走出教室。没过多久，学生们就再也不敢问钱学森任何问题了。
学生们无法评估自己对这门课程的理解程度。在整个一学期里，既没有小测验，也没有期中考试，更没有家庭作业。每到晚上，学生们便聚在一起，讨论理解钱学森的板书笔记。正如一位学生所说的：“他的笔记全都是干巴巴的数学，几乎没有一点演绎生发。他只是将公式抄下来而已。他用强调数学的办法来弥补他在语言上的不足。只有那些数学学得好的人才能和钱学森‘臭味相投’。”
最后，期末考试到来了。一些学生记得，钱学森出的一道考试题是：分析装载重机关枪对飞机的影响以及由此产生的结构振动力。“我认为，全班半数以上的学生都吃了零蛋，”哈瑟特回忆说，“这真是一个无情的打击。”而另外一次，钱学森据说花了45分钟才在黑板上把问题写完，几乎占据了考试时间的1/3。“教室里三面都有黑板，钱学森总是将它们写得满满的，”1944年参加这一项目的罗伯特·博加特（Robert Bogart）回忆道，“他的字迹很像中文，非常的细小。其实，他本可以将这些内容写在纸上，分发给大家的。”
有人怀疑，钱学森之所以把课程设置得格外困难，是为了炫耀自己在智力上的优越性。一名学生回忆道：
有一天，我正好在他没想到有人会来的时候走进他的办公室。在那里，我看到他正在看一本菲利普斯（Philips）撰写的矢量分析教科书。我跑到图书馆，也借了一本。钱学森的授课内容正是出于此书。但他使用的这本教科书几乎是能找到的最差的一本了。每当我听他讲课时，我都会对自己说，他授课的内容多棒啊，他对这门学科真是融会贯通——比这本书的作者强太多了。而他这么做完全是故意的，他是要表现出他与原作者相比是多么的聪明。在那之后，我才明白，这是许多教授惯用的一个小花招。
学生们展开了报复行动。一群人组成一个委员会，找到冯·卡门那里，抱怨钱学森课堂上讲授的内容太难。当冯·卡门建议钱学森改变自己的教学方法时，据说钱学森回答道：“我又不是在幼儿园里教书！这是研究生院！”正如学生们所回忆的，钱学森“一点都不肯退让”。最后，冯·卡门只好请求年轻的助教拉索夫替代钱学森讲课。
因为富有同情心而又循循善诱，拉索夫在学生中要受欢迎得多了。他与钱学森的教学风格形成鲜明反差。多年之后，拉索夫回忆起班上的学生时说道：“作为飞行员，许多学生都在太平洋战争中被击落过不止一次。他们有胃病，视力也不佳，而且所有人都有经历极度危险后的心理阴影。他们经常梦见自己的飞机被击落，在海上漂浮几个小时，直到获救。但钱学森对他们却太严厉了！我这个人好相处，而且理解那些军官曾被击落的往事记忆。我会从最基础的问题讲起，就当他们把以前学过的一切全都忘了。”
与此同时，钱学森却在成为加州理工学院最令人讨厌的教授的路上一路狂奔。“学生们都害怕他的严厉古板，他看上去就像个中国皇帝。”汉斯·利普曼回忆道。
然而，钱学森却对那些他认为智力上有潜质的人毫不吝惜自己的时间和精力。在阿罗约河谷，一个与军事项目无关的项目遇到了流体动力学上的技术问题。“完全是出于好心，钱学森为我们安排了一个计划外的流体动力学研讨班，使用霍勒斯·兰姆（Horace Lamb）的著作作为教材。”钱学森的学生之一、在喷气推进实验室担任工程师的伦纳德·埃德尔曼（Leonard Edelman）回忆道，“这需要花上几个小时备课，而对于那总计15个小时左右的课程来说，我相信钱学森至少花了5到10倍的时间来作准备。他这样做完全是出于对学生的责任心，不计报酬。”爱德曼还写道：
我记得有一天跑去看他……我说：“我的全部时间都花在研制那些用来炸掉别人脑袋的东西上，这让我越来越郁闷。你是如何保持这样积极乐观的态度的呢？”钱学森回答道：“我每天清晨起床，尽力把我力所能及的事情做到最好，不管那是什么事。当我把我的脑袋放到枕头上时，我觉得我很好地工作了一天，这就行了。我很高兴。”尽管从那时起15年过去了，我仍记得钱学森的这段话。或许这是人类历史上一个教师所能教给学生的最有价值的一课了。
钱学森不耐烦的根源来自那些他认为不合格的学生。“在钱学森眼中，愚蠢就是最大的犯罪。”钱学森的朋友安德鲁·费耶尔指出。多年以后，费耶尔回忆起某次午餐会上冯·卡门对钱学森说过的话：“一个好的演讲就是1/3的人理解你所说的每一个细节，1/3的人大致知道你在说什么，另外1/3的人根本对你说的话不知所云。”据说，钱学森回答道：“我只对给那些能够理解我说的一切的人讲课感兴趣。”他用言辞和行动表明，他宁愿只和那些最优秀、最聪敏的加州理工学院学生打交道。
冯·卡门或许是加州理工学院中唯一一个钱学森始终对之毕恭毕敬的人。有时候，钱学森和他的学生会去旁观冯·卡门难得一次的演讲。当冯·卡门在黑板上演算某些数学问题时，钱学森埋头在笔记本上将所有内容都抄录下来。“冯·卡门有时会在黑板上推演一些他此前也从来没有做过的理论，”钱学森的学生比尔·戴维斯（Bill Davis）回忆道，“并写出某些极其困难的等式。在时间快结束时，冯·卡门会看着表，说：‘我认为结果可能会是这样的。’然后就将一个公式随手写到了黑板上。大约一周后，钱学森会走进来，把整个计算做完，然后说：‘冯·卡门是对的。结果就是这样的！’”在这些时候，钱学森仿佛重回学生时代，对自己老师的天资卓越而深为叹服。
尽管钱学森缺乏冯·卡门的个人魅力，但他却极力效仿老一辈教授们的导师制度。“钱学森试图像冯·卡门当年对他那样对待自己的学生，”后来出任美国空军副部长、曾受教于钱学森的约瑟夫·查里克（Joseph Charyk）回忆道，“他们会在一起讨论一个问题，然后冯·卡门会说，这问题很复杂，但为什么我们不强调一下几个地方，看看是否能够把问题简化？而这正是钱学森指导自己学生所采用的方式。将一个非常复杂的事情简化为基本要素。”
钱学森还对冯·卡门说过的每一句话都铭记在心，仿佛它们是圣旨纶音。钱学森的学生伦纳德·埃德尔曼写道：“我猜他的目标就是比肩甚至超越冯·卡门，在那个时代，后者可能是全世界最受尊敬的科学家，只有他的老师路德维希·普朗特的声望可以与他相提并论。”另一名钱学森的学生R. B. 皮尔斯（R. B. Pearce）则表示:“钱学森认为冯·卡门是一个富于同情心的伟人。他几乎崇拜那个家伙。”
1943年夏天，美国陆军航空部寄给冯·卡门几张在法国北部海域航拍的绝密照片。这些照片中，有一些形如混凝土滑雪跳台的奇怪建筑物。军方官员向冯·卡门请教这些是什么。冯·卡门在仔细察看后断定，这些建筑物是火箭发射平台，但他此前却从来没有见过这么大的。之后，空军又寄给冯·卡门三份来自英国情报部门的德国火箭活动报告。尽管这些报告的主要内容不够准确，它们却向美军泄露了德国人正在大规模建造火箭和导弹的秘密。
军方立刻警觉并作出反应。1943年9月，陆军军械部成立了火箭发展联络部，负责研发工作。此外，他们还向加州理工学院派驻了两名联络官：W. H. 乔伊纳（W. H. Joiner）上校和罗伯特·斯塔韦尔（Robert Staver）上尉。乔伊纳请马利纳撰写一份评估美国火箭引擎推动长程火箭能力的评估报告。
当年11月，冯·卡门在马利纳和钱学森的技术支持下，将一份备忘录形式的报告提交给乔伊纳。他们推断出，在现有的技术水平下，美国军方无法制造可以飞行100英里以上的火箭。然而，他们提议成立一个新的研究实验室——喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，简称JPL），在政府的资助下致力于研究制造可以飞行更长距离、炸药承载能力更大的火箭。他们还提议，在喷气推进实验室对冲压式喷气发动机的可行性开展独立研究。这种吸入空气的推进系统可以为长程火箭提供动力。
在马利纳和钱学森的分析基础上，冯·卡门又有所扩展。他建议制定一个共分四个阶段的研究项目。首先，研究人员将对可以承载50磅炸药飞行10公里的限制燃烧固态推进火箭导弹展开测试。其次，研究者将设计一个重2000磅、使用液态推进剂的火箭导弹，它将可以承载200磅负荷飞行12英里。第三步，将对冲压式喷气发动机进行理论研究。第四步，将完成对一个重10000磅、能够飞行75英里的导弹的测试。在这份由冯·卡门在马利纳和钱学森的帮助下于1943年11月20日完成的新报告，第一次提到了“喷气推进实验室”这个名词。几年后，冯·卡门写道：“我相信，我们的提议书是美国导弹项目的第一份正式备忘录。”
相当奇怪的是，陆军航空部却拒绝了这一提议。来自空军装备司令部的反馈是，这个项目不能立竿见影。然而，幸运的是，乔伊纳上校已经预见到了这一结果。他下定决心，要亲眼目睹加州理工学院成为新的美国导弹研究中心。他敦促自己的同事斯塔韦尔上尉将这份报告抄送给陆军军械部，并附上一封热情洋溢的推荐信。
陆军军械部再一次表现出慷慨和大度。多年前，陆军军械部曾向科学研究和发展办公室负责人范内瓦·布什（Vannevar Bush）提议，开展制导导弹研究。布什拒绝了这一提议，理由是导弹天生就不够精确，无法持续打击目标，而投入研发更精确的导弹又会占用战争其他领域所需要的人才。军械部的官员将1943年11月的这份报告视为达成自己进军火箭研究目的的一个机遇。萨姆·里奇（Sam Ritchie）上校飞往帕萨迪纳，与古根海姆实验室的研究小组亲自会谈。为所见所闻而震撼，他要求研究小组提交一份更为详尽的建议书。里奇鼓励他们扩展新的实验室的研究领域，从而不仅将导弹的研究囊括进来，还要涉足导弹的实际制造：建造火箭雏形，设计精确制导和控制技术。
几个月后，冯·卡门收到了一封来自陆军军械部G. W. 特里切尔上校（G. W. Trichel）的信，信上标注的日期为1944年1月15日。信中写道：
军械部渴盼尽快着手研发远程火箭导弹……我们准备提供这一项目所需的大笔金钱……项目预算每年以300万美元为限。
300万美元。“这样的大手笔让我们兴奋得发抖！”几年后，弗兰克·马利纳在回忆录中这样写道。接下来，加州理工学院校董事会于当年2月批准了名为“ORDCIT”的项目计划，它是“军械部与加州理工学院的合同”（Ordnance Contract to the California Institute of Technology）的首字母缩写。
喷气推进实验室拟出了一份远程火箭研发项目的人事架构草图。领导小组由冯·卡门、马利纳、克拉克·密利根等人组成。在“加州理工学院研究与基础设计”分部之下，另设4个小组：弹道、材料、推进和结构。在最初的组织关系图中，钱学森被指派为推进小组的负责人，并与霍默·约瑟夫·斯图尔特共同管理弹道小组。
1944年3月，钱学森为喷气推进实验室进行了一项重要的对比试验，比较了不同喷气推进系统的性能。与冯·卡门、马利纳和萨默菲尔德一起，钱学森对不同类型的火箭——“吸气式”火箭、纯火箭、高速与低速火箭、地面发射和飞机发射火箭——的优点和缺点进行了深入细致的分析。他们推断出，将涡轮式喷气发动机和冲压式喷气发动机结合起来，或许是火箭发射升空后飞行最初阶段的最佳解决方案。作出这一选择是基于三个基本原因：首先，混合使用涡轮式喷气发动机和冲压式喷气发动机的飞行器可以回收；其次，在飞行最初阶段，可以从大气层中获取氧气，从而使火箭能够携带较少的氧，减少自重；最后，敌人很难击落这样的火箭，因为它可以由移动目标发射。
6月份，加州理工学院从陆军那里得到了建造ORDCIT火箭的合同以及160万美元。此外，还有一个价值360万美元的后续合同。1944年7月1日，与制导导弹相关的工作正式开始进行，这项工作分为4个主要研究领域。其中有JPL-1，最初的AAF引擎研究项目；JPL-2，测试固态推进水下导弹的研究项目；JPL-3，AAF冲压式喷气发动机项目；JPL-4，所有项目中规模最大、得到最多资助的ORDCIT合同项目。JPL-4项目的最终目标是建造一个能够负载1000磅爆炸物的制导导弹，可以飞行150英里，精确锁定目标，误差不超过3英里。喷气推进实验室的创立者们希望先建造一个小型的固态推进火箭，并将其命名为“列兵”（Private）系列。之后，使用液态推进剂、自重较大的导弹被命名为“下士”（Corporal）系列。他们计划对导弹加以逐步改造，给那些改进过的导弹赋予高一级的官阶，一直到“上校”（Colonel）为止。
阿罗约河谷开始大兴土木，从新墨西哥的阿布奎基运来大批一战用剩下来的钢材，新的建筑物迅速拔地而起。不到一年，这里的人员数目超过了200名，是以前的两倍。在1944年夏季，钱学森成为喷气推进实验室的第一个研究分析小组负责人。这是他首次在一个主要科学团体中担任领导。
作为喷气推进实验室的小组负责人，钱学森迅速在人们心中树立起世界级喷气推进专家的地位。他生逢其时。1944年6月，德国使用V～1和V～2导弹向伦敦进行了密集轰炸，在那之后，钱学森所专攻的这一领域顿时对美国军方有了非同寻常的重要意义。在喷气推进实验室，钱学森负责“列兵A型”（Private A）导弹的研究工作。这是一枚小型固态推进导弹，其理念即源自钱学森和马利纳在JPL～1报告中的演算结果。10多名科学家在钱学森的手下工作，其中半数是擅长应用数学的理论学家，另外一半则是电子学专家。许多人都与加州理工学院有着千丝万缕的关系——比如霍默·乔·斯图尔特，航空系教授；林家翘，加州理工学院的新科博士；钱伟长，加州理工学院的博士后。
每个周三下午，西装革履的钱学森都要到航空系大楼或天文系大楼中，与其他小组负责人一道开会。“我们最终意识到，关键问题是，带头人必须对彼此的专长有着充分的了解，”斯图尔特说道。这些会议的重要性不亚于火箭发射时各小组带头人亲临现场。“正因如此，每个小组负责人都必须参加发射现场的测试活动，”斯图尔特说，“大家都要睡在脏兮兮的帐篷里，吃着同样恶劣的食物，直到像了解自己一样了解彼此。”喷气推进实验室中共有9个小组：研究分析、水下推进、液态推进剂、固态推进剂、材料、推进剂、工程设计、研究设计以及远程控制。
1944年12月，列兵A型导弹万事俱备，只欠测试。测试地点选在加利福尼亚巴斯托镇附近利奇泉一带的莫哈韦沙漠中。钱学森也到了现场。装有设备的卡车驶入沙漠，支起了帐篷。矗立于高36英尺、有4排导向轨道的钢铁发射架上的导弹全长8英尺，装有可以在34秒的时间里提供1000磅密集推动力的主引擎，另外还有4台标准引擎，可以在发射中在不到1/5秒的时间里为火箭提供21700磅的初始推进力。4个1英尺长的尾翼为火箭提供方向制导。如果测试成功，列兵A型导弹将成为美国第一个成功发射的引擎采用固态推进剂的导弹。
那天一切顺利。列兵A型导弹的所有表现均合乎预期。在24次试飞后，这枚导弹的最大飞行距离可达23英里，最高到达了14500英尺的高空。与此同时，钱学森也帮助完成了其他一些导弹的初始设计，在他离开加州理工学院之后，这些导弹仍在被测试。其中之一是列兵F型导弹，它失败了。这枚导弹是根据钱学森在1943年作出的预测所设计的，当时，钱学森指出，如果在弹身上增加额外的机翼的话，一枚导弹的飞行距离可以因此增加50%。1945年4月1日，列兵F型火箭在得克萨斯的布利斯堡进行了17次测试，但每次都因为缺乏有效的火箭制导系统而旋转失去控制。
另外一个采纳了钱学森的某些基本主张的火箭是“WAC下士”火箭（WAC Corporal）。这是一枚高16英尺、带有655磅液态推进剂的太空火箭。1945年10月，当它在新墨西哥的白沙实验基地发射时，到达了23万英尺——超过40英里——的高空。它不仅是第一个飞出地球大气层的人造飞行器，而且还充当了远程制导火箭“下士E型”（Corporal E）的模板。后者在1949年6月发射成功。
1944年5月底，冯·卡门前往纽约接受胃部手术，直到当年9月中旬，他才又回到帕萨迪纳。由于两次手术所引发的疝气，冯·卡门恢复得很慢。当他在纽约乔治湖的疗养院中休养时，他继续操心着喷气推进实验室的事。1944年8月，马利纳和钱学森前往纽约，其一是看望冯·卡门，其二，倚重冯·卡门指导的二人也需与其讨论导弹的远程控制的事情。
钱学森和其他的人对于冯·卡门长期不在帕萨迪纳这件事深感忧虑。最明显的迹象就是，弗兰克·马利纳和克拉克·密利根之间的敌意已经愈演愈烈，一触即发。马利纳一直以来就不喜欢密利根，因为后者在1936年火箭项目诞生之初时，几乎将其扼杀于摇篮中。1945年10月25日，马利纳曾在喷气推进实验室的会议上对密利根大发脾气，甚至将他的论文扔在地下，并以辞职威胁。一些证据显示，钱学森与马利纳站在一条战线上。“钱学森不喜欢克拉克·密利根，”钱学森的朋友汉斯·利普曼回忆道，“他曾对我说，我们干脆全都离开算了，去他的古根海姆实验室吧。冯·卡门不在加州理工学院这件事让钱学森很不开心。”
1944年9月初，亨利·阿诺德将军在停在纽约拉瓜迪亚机场的一辆小轿车中，与冯·卡门进行了一次秘密会谈。在那里，阿诺德对冯·卡门说，他需要一项可以为军方描述未来空中战争、空中军事力量和制导火箭的可行性的研究。“战争还未结束，”冯·卡门多年后回忆说，“然而阿诺德已经将目光投向了战争以后的趋势，并意识到，技术天才将能够帮助他寻找到军队或政府官僚机构无法提供、只能在大学和芸芸众生中得到的答案。”阿诺德将军表示，他需要冯·卡门召集一批科学家，效力于五角大楼，帮助绘出未来20年到50年的空中研究蓝图。受宠若惊的冯·卡门立刻答应了这一请求——只有一个条件：“不要有人对我发号施令，也别让我对别人发号施令。”阿诺德向冯·卡门保证，他自己将是冯·卡门唯一的顶头上司。之后，冯·卡门从加州理工学院请假离开，1944年10月正式成为美国陆军航空部顾问。
当听说冯·卡门再过8个月仍然不会回来时，中国研究生团体出现了骚动。在一封由钱学森、林家翘、钱伟长和郭永怀共同署名，写于1944年11月7日的信中，这些中国学者以一种最后通牒式的口气列出了一系列要求。如果冯·卡门计划无限期地离开，他们希望冯·卡门可以帮助这些人谋取在其他大学的职位。钱学森希望去加利福尼亚大学，郭永怀希望在普林斯顿大学声波小组中占有一席之地，钱伟长希望得到另外一个研究岗位，而林家翘则中意布朗大学。他们写道，没有冯·卡门的主持，他们的研究很难继续进行。冯·卡门的缺席也令他们无法继续在一个充满“有创造力的领导和温暖的个人关系”这样的氛围中工作。
几周之内，冯·卡门就向钱学森发出了一个相当有吸引力的邀请。他请钱学森和他一道前往华盛顿，与另外两人一起担任他的助手，并出任科学顾问小组的成员。这个小组的主要任务是为陆军和空军最高指挥官提供资讯，帮助他们衡量未来空战的所有可能的选择方案。与钱学森共事的另外两名冯·卡门的助手是休·德赖登（Hugh Dryden）和弗兰克·华敦德。他们和30多名顶尖科学家和工程师组成了精英云集的科学顾问小组。在1944年底或1945年初，钱学森辞去了喷气推进实验室研究分析主管的职务，将教学任务移交给同事霍默·乔·斯图尔特。这个10年前来到美国的年轻中国学生现在开始向华盛顿进军。