中国人迅速意识到，即使借助钱学森丰富的知识和经验，也不可能立刻上马导弹项目。当时的中国，没有一家工厂可以生产出所需的复杂材料。没有大型风洞，没有引擎测试基地，没有发射基地，没有专攻火箭推动问题的大学研究所。甚至，连一本拿得出手的有关这一学科的教科书都没有。
当钱学森充分了解到中国当时在科学、教育和国防方面的落后时，他感到有些茫然。“既没有研究工具，也没有研究设备，”他写道，“这时候，我的思想转了一百八十度，从乐观一下变为悲观，真是觉得作科学研究寸步难行，简直急死人……我不知道在艰苦的环境中奋斗、找出路，怎样白手起家。”
40年后，中国拥有了世界上第三大核武库，成为第三世界国家最主要的武器供应商之一。中国报刊上的文章称颂钱学森为开创了奇迹的人，他让一个在1955年的时候还造不出一台像样的汽车或自行车的国家在太空科学发展上作出了革命性的突破。
他是如何做到的呢？在这场了不起的革命中，钱学森究竟扮演了什么样的角色？
要想回答这个问题并不容易。直到最近为止，几乎所有与导弹相关的活动都属于军事机密。仅仅在过去的一两年中，中国才开始在官方历史记载或发行量有限的专著中披露相关的信息，要么就是新闻报道中一些含糊其辞的大致介绍。最近，为了树立自己在世界导弹发射市场上的权威形象，中国开始注重宣传工作。但即使曝光增加，许多问题依然是未解之谜。甚至那怕是想要获取几张导弹研究机构或导弹发射的历史照片，都相当的困难。
钱学森本人不愿对记者多说话，甚至不愿在自己在世时出版正式的传记。这只会令获取信息变得更加困难。此外，中国政府经常改变研究机构和导弹项目的名称；对于同一种导弹，中国、美国和苏联经常有不同的叫法；不统一的名称让历史记载扑朔迷离。所有这些都增加了重构历史的难度。
尽管手头的信息有限，经过3年的研究和整理，我们还是从含糊的文献记载和官方历史中拼出了一幅大致图像。最有价值的信息源自本书作者在1992年华盛顿世界太空大会（World Space Congress）上与几位中国顶尖导弹科学家的访谈，以及1993年夏天的上海和北京之旅。
很明显，在过去的40年中，钱学森为中华人民共和国作出了四大贡献。
首先，钱学森给了中国政府最重要的东西——信心。说到底，钱学森并不是第一个向中国政府提议发展导弹项目的人——苏联顾问早在钱学森之前就这样建议过。但显而易见的是，钱学森是第一个其意见得到认真聆听并被付诸实践的科学家。“钱学森的角色是象征性的，”曾经在钱学森手下工作过的一位导弹科学家林津1993年对本书作者说，“他并没有做出某项特别的贡献，或是研发出某一种特殊的导弹，但最重要的是他的全局观点和组织能力。他是能够向毛泽东和周恩来提出方案和建议的人。他给我们弄来研究经费。如果没有钱学森，国家领导人可能根本不会作出开展导弹研究项目的最终决定。”
其次，钱学森总是能够一次又一次地启发手下人做出至关重要的成果。钱学森领导着一群比他年轻整整一代的中国火箭科学家，他们被认为是中国空间研究技术的脊梁。这些人中的绝大部分在苏联大学里接受教育，后来在国内被委以重任，指挥着一个个科学家小组。钱学森教导过这些人中的大部分，并对其中最卓越者加以栽培提拔。他们常常夜以继日，废寝忘食，只是为了得到钱学森的一句表扬。
然而，这并不代表钱学森放弃了他固有的威严和傲慢。对于那些他认为智力不如他敏捷的人，钱学森明显缺乏耐心。在中国，他比在麻省理工学院和加州理工学院时更加拒人于千里之外。“钱学森的声望非常高，”一位曾在他手下工作过的科学家回忆道，“他简直就是神。”几年后，一些曾经担任过钱学森高级助手的人对本书作者说，他们从来不记得和钱学森有过轻松的私人谈话。所有这些都似乎表明，钱学森归国之后，似乎对谁都不相信，谁都无法与他分享他内心深处的想法——即使是他的家人。
再次，钱学森的贡献在于他反反复复地强调，在书里可以找到许多问题的答案。他的办公室里总是堆满了书籍，人们经常看见他埋头苦读的样子。他的一位秘书甚至倡议成立了一个秘密小组，专门把钱学森的书借给其他科学家阅读。在指点年轻后学时，钱学森总是再三强调“对相关材料的调研与分析”。许多他认为重要的信息都来自美国出版物，于是，钱学森教会其他人如何从美国学术期刊中获取有用信息，甚至商业杂志上的航空公司广告，也可以用来推测美国国防工业的进展程度。在中国，钱学森改变了军队圈里的教育哲学，他解决了一个重要问题，就是让以往学习俄语的年轻中国科学家认识到，事实上，所有最好的太空研究方面的文献都是以英语写成。
最后，钱学森证明自己有创建机构的能力。光靠一两个科学家是造不出导弹的。众多的科学家和技术人员必须齐心协力，形成团队，在一个基础上分工合作。钱学森在中国最伟大的成就之一是推动了国家科学发展纲要的确立，此外，他还领导成立了国防部第五研究院——中国的第一所导弹设计研究所。中国最早的几枚导弹、最早的人造卫星、导弹跟踪和控制遥感系统以及“春蚕”导弹，都是在钱学森的倡议和主持下研发成功的。此外，也正是因为钱学森，系统工程在中国成为一门科学，以其为基础建立的管理结构令工程师们可以在将误解和官僚主义最小化的情况下彼此顺畅交流沟通。
下面就是钱学森在中国的故事。
回国第一年，钱学森致力于建立一所专门研究应用力学和国防用途的高速空气动力学的研究机构。1956年1月5日，力学研究所在北京正式成立，钱学森担任所长。
开始时，羽翼未丰的研究所设施相当简陋。整座大楼里只有一部电话，铃声不断，都是找钱学森的。他的办公室位于四层而电话装在一层，为了接听电话，钱学森不得不跑上跑下。研究所里几乎没有什么可用的设备，只购进了一些必须靠手摇操作的台式计算机。钱学森做梦都希望有一天，中国可以制造出小型的电脑。
钱学森的时间一半用来开会，制定研究所的研究目标，另一半时间则花在参加所里不同研究分支的学术研讨会上。一些留美归来的科学家为钱学森提供帮助。当时的副所长是1946年在加州理工学院获得航空工程博士学位的郭永怀，钱学森以前的学生和密友。负责项目运作的是许国志，钱学森归国途中在邮船上结识的系统科学家。回国后的第一年，钱学森每周都在力学所主持学习班，培训来自地方大学院校和天津的科学家。
钱学森为中国科学研究制定的计划与10年前他在《新视野》中为美国空中防御勾画的里程碑式的蓝图极其相似。3月份，上百名中国和苏联科学家来到北京，拟定了未来12年的中国科学发展计划，集中力量发展56个关键领域的科学研究。钱学森作为国家科学计划委员会的重要成员，“扮演了一个决定性的角色”，何祚庥在他的文章中写道。钱学森确保了国防工业中的关键领域——原子能、导弹、计算机科学、半导体、电子学和自动化技术——被予以特殊重视。至关重要的是，他向中国政府指出，发展导弹的重要性远远高于发展飞机，因为导弹的速度更快，而且可以携带武器跨越洲际。
钱学森有着异乎寻常的自律。他是研究所里最勤奋的人之一，每天早上7点30分准时到达办公室，通常比其他人早到半个小时。他常常奋笔疾书数小时之久，要不就是埋头研读技术专著，只有午饭和晚饭时才短暂离开一下。晚上7点到10点之间，他常常还要回到办公室工作。他的办公室装饰极其简单，只有一张大写字台，几把椅子，一个摆放电话的小圆桌，一个金属文件柜，一台打字机，以及两个顶着天花板的大书架，上面塞满了数学家、物理学家、力学家、生物学家和音乐家的生平传记。
尽管钱学森自己并不知情，但这些书籍却教育了整个研究所的人。其他的研究人员急切地盼望读到钱学森的藏书，渴望了解来自国外的科学动向，更渴望知道怎样才能成为像钱学森一样伟大的科学家。不过，钱学森周身散发着一种拒人于千里之外的疏远气息，大多数人发现很难向他开口。当时担任钱学森秘书的张可文想到了一个解决办法，她偷偷地把钱学森的书借给大家。“我的想法是，如果有10个人可以像一个人那样容易地看到一本书，为什么不去增加知识的总量呢？”张可文说，“我就告诉其他的人，他们可以读到钱学森的书，但是绝对不能将这些书带出研究所。如果钱学森马上需要，这些书必须能马上还回来。我为每一本借出的书都作了记录，登记它在谁手里。钱学森一直都不知道这事。”
钱学森参与了第五研究院的创立，这标志着中国导弹研发的正式开始。
回国仅仅几个月，钱学森就成为国内最有声望的科学家之一，扮演起科学界和政府高层人士之间的联络员。国防部长彭德怀在与钱学森见面时与他讨论了短程定向导弹的问题，后来还派专人与钱学森深入分析定向导弹研发的优点和问题。钱学森还与其他军方高层人士见面会谈，敦促他们尽早将人造卫星和运载火箭的研发作为一国之重加以考虑。1956年2月17日，钱学森向党中央提交了一份秘密倡议书，请求建立航空和导弹研发的研究机构。国务院总理周恩来为此召开特别会议，讨论钱学森的提议。10月8日，政府就决定成立国防部第五研究院，钱学森被任命为第一任院长。
第五研究院建立之初也相当寒酸。一座旧医院和两所疗养院被改造成办公室，只有100名仅有初中文化的工人，100～200名仰慕钱学森的声名而投至其门下开始学徒生涯的大专毕业生，钱学森是研究院里唯一一个火箭专家。钱学森迅速意识到培训的重要性，于是在所里开设了一系列非正式的工程学课程，教授“火箭概论”。他以前在加州理工学院的学生庄逢甘则担任空气动力学课程的讲师。许多学生后来成为中国太空项目的骨干人才。在发表于《人民日报》上的一篇文章中，钱学森描述了当时全中国的大学和研究机构严重缺乏受过教育的人才的情形：
我们首先意识到，当前最紧迫的问题是教学，而不是马上进行独立性研究。因为我们急缺教授，一些大学毕业生也被选中进行教学任务。每所学院招来的教职员工被分成小组，每一组专注于一个问题。他们写课堂笔记，讨论教学方案和示范方法。每一组都由一位教授率领。当课题太新而没有这方面的教授时，从事这一领域工作的苏联专家会被请到中国来领导该小组。
自然，这些新教员在面对学生时有时会遇到问题。但也有解决办法。当一位老师遇到学生提出的难题时，他通常不会马上回答。在每天晚上的教师分组会上，这些问题将被充分讨论，得出正确答案。这样，我们不仅可以拥有众多的教师，而且还能让他们在学生面前保留师道尊严。
最初的几年中，每个周日下午，钱学森都会邀请第五研究院的项目主管到他的家中，出谋划策，交流心得体会。几十年后，钱学森回忆道：“说老实话，我当时对能否完成党和国家交给我的任务并无信心。在美国时，我曾经做过与定向导弹和人造卫星有关的一些工作，然而，我从未参与过任何导弹发射工作。我别无选择，只好向同事们取经。”
事实从一开始就摆在面前：中国需要外援，理论上，只能是苏联的帮助。中国需要的是真正的导弹，不管有多落后。它们将被用来作为自行研发的样板。
20世纪50年代，中国开始与苏联展开购买导弹技术的谈判。1956年9月13日，莫斯科方面同意卖给中国两枚R-1型导弹，当年12月苏方交货时，中方才发现，原来它们不过是德国V-2型导弹的复制品而已。中国政府要求更先进的导弹，但直到第二年，当赫鲁晓夫急切地需要得到毛泽东的支持以对抗国内外的政敌时，苏方才作出妥协。
1957年夏，钱学森作为中国军方代表团的一名成员前往苏联。尽管此行的细节仍属机密，但可以合理地推测，钱学森必定直接或间接地参与了与苏联关于购买更先进的导弹的谈判。10月15日，中苏签订了《中苏国防新技术协定》，协议规定，苏联向中国提供导弹模型、技术文件、研发的工程设计、发射基地以及技术专家，帮助中国仿制导弹并培训火箭研究领域的人才。
在几个月的谈判之后，苏联卖给中国两枚R-2型导弹，它是R-1型导弹的升级版。12月24日，一支苏军导弹营抵达北京，带来了两枚R-2型导弹和相关的发射设备。一些科学家记得，导弹部件在深夜被火车秘密运至第五研究院。专家们后来指出，得到R-2型导弹让中国人有机会接触到现成的火箭系统，这一事件标志着中国的导弹研发开始进入实质性阶段。
那一年，更多的苏联技术专家陆续抵达，帮助中国发展太空计划。在1958年下半年，苏联一共送来10151份与R-2型导弹制造、测试和发射相关的蓝图和技术文件。此外，第五研究院又购买了两枚R-2型导弹。与此同时，将近100名苏联人来到北京，担任科学顾问。
从1958年4月到1959年4月，中国人民解放军从各单位调配了3000多名技术专业人员，加上300多名来自工业界的工程技术专家，都充实到钱学森的第五研究院中来。与此同时，政府向苏联大学中派遣了更多的留学生，在那里学习火箭技术。第一波留苏的航空工程毕业生迅速成为导弹研发团队中的第一梯队。
第五研究院的新来者通常是20多岁的未婚男性，在苏联大学进修过工程学。在接到任命的那一刻起，他们的生活便开始变得保密起来。年轻的工程师坐着汽车来到第五研究院，没人告诉他们未来的职位和职责到底是什么。他们严禁与朋友或家人谈论自己生活或工作的地方，只能用邮箱代号代表自己的地址。1958年，甚至连第五研究院这个名字都属于机密。泄露这个研究机构存在的人可能被判刑。
令人难以置信，中国最开始时居然拒绝对购买自苏联的R-2型导弹进行仿制，甚至不肯对它进行严肃的研究。在一种过于自信甚至自我欺骗的氛围中，许多中国科学家和官员相信，他们可以不借助任何苏联帮助建造自己的导弹。但不久之后，真相便显现出来，一些老科学家指出，在1959年之前发射人造卫星的目标根本不可能实现。尽管R-2型火箭的飞行距离太短，甚至无法攻击日本的美军基地，它的负载也太小，没办法将建设中的中国原子弹发射上天，但R-2火箭却可以为科学家们提供启动自有导弹项目的技术上的准备。
1959年初，当时负责战略武器项目的聂荣臻元帅宣布，第五研究院将仿造中国购自苏联的R-2型导弹。这一项目的代号为“1059”，这也是仿制中的导弹的名字。1959年1月，苏联人来到中国，帮助中国科学家生产导弹。4月和7月，中国代表团访问苏联，讨论为这一项目进口更多机械设备的问题。
尽管中国人宣称可以不借助苏联帮助自行建造导弹，但他们很快便发现，即使是仿制一枚现有的导弹，也相当困难，工程浩大。仅仅是制造R-2型火箭的引擎便要有14个工厂的参与，涉及1400道工序。钱学森迅速意识到，在导弹制造的每一个相关领域，中国的条件都极为欠缺。第五研究院甚至难以获得最基本的原料：橡胶、不锈钢管和铝板。他们试图通过进口一些材料并自行制造另外一些的方法解决这一问题，此外，他们也试过用类似材料取代最稀缺的品种。在中国仿制的苏联火箭中，使用替代材料的比例最终高达40%。由于使用替代材料，也因之产生了一些缺陷。
钱学森立刻便遇到了另外一个问题：工具短缺。为了制造导弹，科学家们需要大型钻孔压力机、车床、焊接设备和拼装机器。因为没有能够完成这些工作的机器设备，第一代国产火箭的箭体焊接工作是由工人们手工完成的。第五研究院也继续让受过训练的技师和焊接工人来完成火箭拼装焊接工作。为了改善此种状况，苏联启动了一个焊接培训项目，帮助中国人掌握复杂的惰性气体弧焊接法以及其他一些必需的技术。
当新的俄式办公大楼动工建造之时，导弹项目的最初参与者们只能凑合着办公。经常可以见到工程师们在拥挤的走廊里借着一只灯泡的微弱光线埋头苦干。行政办公室暂时设在一所医院和军校的旧址中，而火箭组装车间则由一座旧的飞机修理厂改造而成。一些科学家在连一扇窗户都没有的飞机库里夜以继日，挑灯夜战。到了夏天，暑热难忍，年轻人都光着膀子或最多只穿一件背心，在机械手动计算机上狂敲。当时的住房条件相当简陋，一些科学家实际上住在办公室里，或是睡在临时的帐篷或军营中。不过，大多数人住在附近的宿舍楼里。年轻的工程师过着斯巴达式的生活，在食堂里吃大锅饭，自己洗衣服晾衣服。
这种情况贯穿20世纪50年代中国发展第一枚液态推进探空火箭的整个过程。参与这一项目的科学家们在类似于20世纪30年代加州理工大学“敢死队”初期研究火箭时的条件下工作。简陋的台式计算器，破烂不堪的设备，小型火箭，这就是他们拥有的全部。1960年，上海设计研究院的工程师们制造完成了一枚两级非控制型火箭，它由装有液态推进剂的主体和一个使用固态推进剂的推进部分构成。这枚实验性质的火箭模型后来发展为T-7探空火箭。1960年初，火箭模型被运往上海郊区的老港镇，在那里首次发射。
如果钱学森见到那个发射基地的话，他可能会因为其条件之简陋而潸然泪下。河边的一大片废弃空地上，是为发射场提供电力的发电站，油布为顶的干打垒棚子里安放着一台50千瓦的发电机。自行车打气筒被用来为火箭加注推进剂。指挥部在河对岸，不过是一个沙袋垒成的小土堆，在发射时起到保护观测者的作用。没有步话机，没有扬声器，也没有电话，发射指令官只能隔着河大喊。然而，尽管设备简陋，发射却相当成功，T-7火箭模型飞了8公里之高。几个月后，1960年4月18日，一个雨夜，钱学森抵达上海江湾机场，检查T-7火箭的主发动机并观看发动机的简单测试。这年9月，T-7火箭成功发射，并成为中国第一代探空火箭的先驱。
与此同时，苏联人似乎却在刻意向中国隐瞒一些火箭发展的关键方法。苏联科学家对一些文献有所保留，不给中国同事看，而且经常回到大使馆去查阅他们自己的参考文献。两个苏联原子弹专家尤其让中国人大感不满，他们被形容为“只听不说的哑和尚”。
根据《中苏国防新技术协定》，中苏的合作关系原计划持续30年，但在签约后的第3年就宣布结束。合作破裂的一个原因是苏联出尔反尔，不愿再帮助中国开展核弹项目。1960年8月，苏联突然撤回所有在华专家。大约1390名苏联专家和顾问被紧急召回国，至少343个合同和257个技术项目被取消。中国对这种背信弃义的行为大加抨击。这年夏秋之际，苏联人整理行装准备归国，带走了他们的全部图纸和文献。不能带走的文件则被统一销毁。8月12日，穿着大衣、头戴礼帽的钱学森与其他中国科学家一道在北京火车站送别第五研究院的苏联专家们。告别并拍照留念之后，苏联科学家及其家人登上火车，一去不复返。
中苏友好关系破裂之时，美国和苏联均在技术上取得了显著的进步，这进一步增强了中国对未来政局的不安心理。此时，中国的所谓导弹项目所拥有的不过是几枚苏联的R-2导弹和一些中国留苏学生从苏联获取的技术材料罢了。为了应对潜在的国家安全威胁，中国领导人在核武器工业上投入了大量人力物力，使得第五研究院的规模呈爆炸性增长。
尽管苏联人走了，他们却为中国的第一代短程火箭研发奠定了最初的基础。1960年9月，中国发射了一枚由苏联制造但使用国产推进剂的R-2火箭，为未来仿造火箭的发射作好了准备。不久以后，以钱学森、张爱萍和电子学专家王铮为首的委员会便开始着手组织国产R-2火箭的首次试飞。
导弹被用火车运往藏身于甘肃戈壁中的双城子基地。人们经常也将这个基地称为酒泉发射基地。酒泉城的历史可以追溯到汉代，那时候，中国军队驻扎于此，抵御匈奴的入侵。几个世纪以来，这里的风景几乎没有改变过，群山和沙漠环围下的小城孤寂无人，冬日寒风呼啸，甚至可以吹起篮球大的石块。
1958年，中国政府将人民解放军第20兵团派往戈壁，在那里建设火箭基地和居住设施。部队官兵挖掘水井，种下杨树和柳树，修建道路和房屋。饮用水只能用卡车从远处的城市运来。军人们还铺设了铁轨。到1960年时，一条连接酒泉和北京的铁路已经铺就。工程师们通常要坐上4到5天的火车才能到达酒泉。很难说到底有多少中国的导弹专家、军人和他们的家属生活在1960年的酒泉，但时至今日，这个城市已经拥有49000名常住人口。
1960年10月，钱学森来到酒泉基地，视察中国自制R-2火箭的首次发射。此时，这里已经建起了通往戈壁的柏油路，混凝土的发射台和几栋两层高的楼房也已完工。最开始的几天里，导弹在一栋建在铁轨上的房子里接受检测，随后，它被运往发射点。在那里，吊车缓缓地将R-2导弹垂直安放在发射架上。三层脚手架上的操作工人紧张地检查着火箭的各部件，填注推进剂，安装电池和其他设备。
1960年11月5日早上9点，中国自制的使用无线电控制的R-2火箭在酒泉基地发射成功。在现场参观的聂荣臻元帅在接下来几天的庆功宴上向科学家们频频祝酒。聂荣臻说，这是飞过中国上空的第一枚由中国人制造的导弹，标志着历史的一个转折点。从苏联的R-2导弹运抵北京之日起，钱学森和他的同事们花了近3年时间，才完成了这次历史性的发射。
然而，接下来的几年对于钱学森来说却充满挫折。
尽管1960年12月，中国成功发射了另外两枚国产R-2导弹，但要设计更高级的可以实际运行的导弹，人们却一时显得束手无策。作为第五研究院的带头人，钱学森主持了中国第一代地对空弹道导弹——“东风”导弹——的研发工作。1962年3月，“东风2号”导弹被运往酒泉基地进行第一次试射。3月21日的发射中，导弹失去稳定性，在发射升空69秒之后便坠落爆炸。钱学森飞往基地检查爆炸碎片，开展分析，试图找出问题到底出在哪里。“这次发射后，钱学森正确地指出了导致导弹坠毁的原因。”钱学森的弟子庄逢甘指出。在设计导弹的制导控制系统时，科学家并没有将火箭的弹性震动问题考虑在内。引擎和火箭主体结构之间的连接太过脆弱，陀螺仪的位置也不对。
让情况变得更糟糕的是，钱学森所热衷的另一个项目却因为被认为过于野心勃勃而被中止。1961年11月14日，钱学森任命自己为“东风3号”导弹的总设计师。按照最初设想，这枚以液氧和汽油提供推进力的洲际弹道导弹飞行距离可达1万公里，与美国的阿特拉斯（Atlas）导弹类似。但这些目标对于中国的现实能力来说太超前了，在遇到无数经济和技术上的挫折后，这一项目被取消。曾在钱学森手下工作过的中国火箭科学家，现任斯坦福大学国际安全与军备控制中心助理研究员的华棣表示，尽管钱学森仍对其他项目加以督导，但这却是他最后一次任命自己为某一导弹的总设计师。钱学森本质上是个完美主义者，而他身上理论科学家的一面远超过务实的另一面，对他个人而言，如此远大的目标或许充满诱惑力，但对于中国当时的技术水平而言，却实在过于庞大和复杂。
看上去，失败反而令钱学森下定决心更努力地工作。从20世纪60年代到70年代，钱学森对中国的导弹项目作出了4项重大贡献。他启发并引导了一大批手下人的工作，向他们介绍那些关键的理论公式，让他们应用到实践中去。钱学森开创的管理系统让官僚主义的影响最小化，并塑造了中国第一代导弹的组织和技术指导模式。
钱学森对待下属常常恩威并施。在“东风2号”导弹失败后，钱学森主持了一系列关于导弹重新设计的技术会议。在会上，他听取其他顶尖火箭专家的意见，敦促他们“杀出一条血路”来，以解决众多的数学问题。他的弟子庄逢甘回忆道，钱学森经常说：“美国人能做到的，我们中国人也能做到！中国人一点儿都不比美国人差！”
钱学森还介绍给这些工程师一些合适的参考资料。他自己的著作《工程系统论》在“东风2号”导弹的重新设计中便是一本非常有价值的参考书。钱学森对布里斯（Bliss）公式的阐释尤为重要。布里斯是一位著名数学家，以其关于变量计算的研究而闻名于世。在“二战”中，他的计算公式被广泛应用于弹道的计算。在《工程控制论》中，钱学森将布里斯的工作用于导弹制导系统的设计。后来，对“东风2号”的改进工作中，中国工程师据此完成了制导系统的设计。直至今日，中国的航天航空工程师们依然认为，钱学森的著作为中国从“东风2号”到“东风5号”的一系列导弹的发展提供了坚实的理论基础。
在此期间，钱学森还将美国的工程管理计划模块引进到中国。设计一枚导弹的复杂性需要尽量减少管理体系中的官僚主义和内耗。导弹项目的管理者需要与上千名工程师和技术人员打交道，组织多个层面的工作：最高一层负责整个系统的结构，中间层负责引擎和制导系统，最底层则负责每一个组件。1962年，钱学森制定了一个增进各层面沟通交流的方案，这一方案与美国的“方案评估与技术审查”（PERT）系统非常相似。当初美国海军为“北极星”（Polaris）导弹项目而设计出的方案评估与技术审查系统用计算机对项目中的各种变量进行分析。本质上讲，它的作用就是为大型工程项目中的每一个步骤绘出一份流程图，从而合理确定人力分工、所需时间、各部门的协作以及发展的不同阶段。钱学森所制定的方案后来被用于中国远程火箭制导系统的计算机设计。
1964年，钱学森在中国国家领导人主持召开的关于中国导弹发展方向的几次重要会议上表现得相当活跃。在这些会议上，科学家和国家领导人重新修改了“东风”导弹项目的计划，将国产R-2导弹改名为“东风1号”，“东风2号”导弹以日本为假定打击对象，“东风3号”导弹以菲律宾为假定打击对象，“东风4号”对准美国关岛，而“东风5号”的潜在目标则是美国本土。
在这些会议上，关于火箭制导控制方案的设计理念最终表现为“留美派”和“留苏派”之争。以钱学森为代表的“留美派”最终取得胜利。这一派强调设备的每一个组件都相当可靠，而“留苏派”则认为，只要火箭总体能够工作，无需过分强调个别组件。
中国领导人决定作出妥协。从“东风2号”到“东风4号”，这些短程导弹均使用原始的皮带式加速计，而在第一枚洲际弹道导弹“东风2号”上，使用高级的陀螺仪和万向节。钱学森对此十分坚持。他宣称：“我们绝对不能满足于一枚初级的洲际弹道导弹。”
几年之内，钱学森就开始看到了成果。1964年进行的几次发射均告成功。5月29日，3颗中近程地对地导弹顺利发射升空。此后，6月29日，经过重新设计的“东风2号”导弹也发射成功，导弹发动机的升空推力被降低，使其飞行距离缩短到1050公里。7月，导弹设计师们开始新的一轮改进活动，希望能够增加“东风2号”导弹的飞行距离并改善其性能。
1965年11月，“东风2号”A型导弹的成功发射是中国人在此期间取得的一项巨大胜利。这枚导弹是失败的“东风2号”导弹的升级版，也是中国第一枚实现了自主导航的导弹。“东风2号”A型导弹的负载量与“东风2号”一样，均为1500公斤，仍不足以搭载重1550公斤的中国第一枚原子弹。但这枚导弹的飞行距离增加了约20%。“东风2号”A型导弹用弹身内置的小型计算机替代了雷达控制，这样一来，敌人就无法通过干扰无线电信号而改变导弹飞行方向了。
“东风2号”A型导弹很快就被用来实施历史上最危险的核试验。1966年10月27日，中国人大胆地同时进行了原子弹和核导弹的试验。这次试验在甘肃的双城子基地进行，“东风2号”A型导弹上搭载了一枚重1290公斤的小型核反应设备——设计者特地减轻了它的自重以满足导弹的运载能力。”“东风2号”A型导弹在发射基地以西800公里的发射点升空，飞向新疆的沙漠，在那里投下一枚爆炸力相当于1.2万吨的核弹。
这次试验为钱学森带来了极大的知名度。《纽约时报》将中国在核武器上的进步归功于钱学森，不仅在头版故事中对他加以报道，还将其列为“新闻人物”。“冷战的讽刺之处在于，那个公认为一手帮助中国造出第一颗原子弹并将其装上导弹的人，却在美国度过了15年时间，在这里接受教育和栽培，被鼓励，被崇拜，被厚遇，被信任。”发表于1966年10月28日的一篇《纽约时报》报道如是写道。而当作家米尔顿·维奥斯特（Milton Viorst）从《纽约时报》上读到钱学森的故事并以此为素材为《绅士》（Esquire）杂志撰写了一篇人物特写后，钱学森的名字变得更加家喻户晓。
“确切地说，这篇关于钱学森的故事不是典型的人物特写而是一篇美国式的英雄传奇，”威奥斯特在他的著作《流氓与英雄》（Hustlers and Heros）中如是评价这篇文章，“在我看来，它是关于一个人被自己逐渐喜欢上的国家所背叛的故事，一篇个人复仇的史诗……故事中的讽刺意味实在太吸引人了。一个中国人，本来一直从事着帮助我们制造导弹的工作，然后，在麦卡锡时代，却被迫返回中国替中国人造导弹。这是一个我一定要写的故事。”
中国在核武器上取得的成就也促使两名美联社记者——威廉·莱恩和苏墨林——撰写了一篇长文并发表于1967年7月25日出版的《远见》（Look）杂志上。这篇文章后来以“中国的蘑菇云”之名发表，在书中，两名作者将中国的成就归罪于麦卡锡主义时期的捕风捉影。在书中，半数以上的篇幅都在讲述钱学森在美国的经历。“令人震惊的真相在于，如果没有美国政府有关当局有意的协助，中国的核武器和运载火箭不可能在20世纪70年代以前研制成功。”这本书的封套上写道。以此受到启发，《60分钟》节目还制作了一期钱学森专题《美国制造？》，并以下面的语句加以介绍：“一个关于美国如何在20世纪50年代的‘红色恐怖’下将发展核武器的大部分知识和经验拱手相送给中国人的故事。”
“如果钱学森的人生轨迹有所不同，”专题节目中总结道，“他今天或许会是美国太空项目中的重要人物。”而当曼哈顿计划的最初成员之一拉尔夫·拉普（Ralph Lapp）在《60分钟》节目中被问及钱学森在中国核弹运载系统的研发中所扮演的角色时，他回答道：“我认为他是奠基人。事实上，以钱学森在火箭领域的背景，我认为他必定是中国弹道导弹计划中的指路明灯。中国人已经获得的和未来可能获得的成就，都不可能不归功于钱学森的带头作用。”
想要明确列出钱学森在导弹项目中的所有贡献是一件不可能完成的任务，因为他的角色主要是领导者和管理者。但中国的科学家举出了众多具体事例，以此可以看出钱学森若然不凡的眼光和判断力，而众多项目的成功与此密不可分。
钱学森曾参与“海鹰”导弹的研发工作。1965年4月，他出席了由国防工业办公室和第七机械工业部共同召集的一次会议。此次会议决定，在以苏联“冥河”（Styx）反舰导弹为模板改进而成的“上游1号”导弹的原型基础上，研制用于海岸防卫用的“海鹰”系列反舰导弹。
这项工作在接下来的几年中占据了钱学森的大部分工作时间。当中国人在1966年12月测试第一颗“海鹰1号”地对舰导弹时，发现雷达系统存在问题。钱学森和其他科学家于1967年7月召开会议专门解决这一问题。第三机械工业部南昌飞机制造厂与第七机械工业部研究院对它进行了3年的测试和分析后，“海鹰1号”终于在1970年10月发射成功。从1965年到1970年间，远程地对舰导弹“海鹰2号”也被成功研制出来，并经过了测试。在20世纪70年代，国防部决定听从钱学森在20世纪60年代早期提出的建议，将导弹的雷达自动导航系统替换为红外自动系统，因为雷达容易被干扰。在此基础上，改进型的“海鹰2A号”导弹项目也得到批准。第三研究院的红外与激光研究所为这枚导弹研发出了锑化铟红外发射感应器，结构更合理的小型球面轮廓弹头，以及取代液氮用空气冷却感应器的空气净化循环系统。在几次失败后，“海鹰2A型”导弹于20世纪80年代初测试成功。中国政府后来将“海鹰”导弹出口到了中东国家，在那里，它被改名为“春蚕”导弹——这个名字更为美国公众所熟知。
1966年，钱学森还提议设计拥有躲过反弹道导弹防御系统的弹头。60年代，当中国进行东风五号导弹的设计研究时，他们希望这枚导弹可以穿透美国的弹道导弹防御系统。1966年1月4日，钱学森提议建造更高级的拥有突破防御系统能力的“东风5型”弹头，由此诞生了装有电子反侦察系统及轻型诱饵导弹的返回式导弹。
钱学森在对导弹进行追踪和遥控的遥测网络的建立上也发挥了一定作用。这一网络对1980年在太平洋上进行的两颗洲际弹道导弹的发射奠定了基础。至少需要3个观测点才能建立起一个能对空中飞行的导弹的位置进行追踪的遥测网络。观测点通过导弹发出的雷达信号计算出二者之间的距离。一个观测点可以将导弹的位置定位于某一个球面上，第二个观测点定位的球面与前一个球面相交形成一条弧线，第三个观测点则能精确地将其定位为一点。尽管设在中国大陆上的3个观测点已经可以满足追踪短程火箭的需求，但对于要飞到地球另一端的洲际导弹来说，它们就无能为力了。这样，必须在太平洋上的舰船上设立观测点，与大陆上的观测点一道完成三角定位。
1973年，钱学森出任了海军舰载导弹追踪控制系统研发小组的负责人。在1973年9月召开的一次会议上，钱学森提议，在大陆建设遥测网络，以陕西西安、甘肃酒泉和四川西昌为3个观测点。他任命酒泉基地的导弹专家上官世盘进行测控网络的规划工作。上官世盘花了两年时间，终于完成了一份初步计划，并于1975年10月呈交给政府。这份方案得到批准并在当年上马实行。
1980年5月，两枚国产洲际弹道导弹在酒泉基地发射，飞向太平洋上空。中国大陆和南太平洋舰队上10余个遥测站的数百台通讯设备每秒报告一次导弹的速度、飞行姿态和高度。5月18日，第一枚导弹飞过了南太平洋的吉尔伯特群岛，重新返回大气层，在那里完成弹体分离。导弹残余部分打开降落伞落在海面上，并释放出蓝绿色染料，从而令直升飞机易于识别和收回。1980年5月21日，第二枚洲际导弹也发射成功。上官世盘表示，这两次成功发射是“钱学森最重大的成就之一”。
“钱学森很有远见，”10余年后，上官世盘这样评价自己的导师，“如果我们没有在10多年完成舰船雷达测控网的建设，这次发射简直是不可能的。他比时代超前了10年，只是我们以前没能意识到而已。他太伟大了。”
导弹项目之外，钱学森对中国航天事业作出的最卓越贡献，还在于他在第一颗人造卫星缔造的过程中所扮演的角色。几乎从回到中国的那一刻起，钱学森就在不断强调人造卫星的重要性。1958年1月，人造卫星项目正式启动，钱学森和其他科学家完成了发展人造卫星的项目草案，并指定了一个代号“581”的工作小组。到1958年春夏之际，581项目已经成为国家重点发展项目，而在苏联发射了重达2000磅的人造卫星斯普尼克3号（Sputnik III）后，更成为重中之重。
“我们也要搞人造卫星。”毛泽东在1958年5月17日发表讲话说。1962年，钱学森开始培训这一项目所需的科学家。4名来自上海机电设计研究院的工程师被派往北京，在钱学森手下工作，掌握相关学科的技术。钱学森与他们每周开三个半小时的会，敦促他们学习英文参考文献，因为几乎找不到相关领域的俄文文献，除了一份名为“火箭技术”的学报。这件事有点难度，因为其中3名工程师在中学和大学时学的都是俄语而非英语。钱学森还安排这些人以自己的著作《星际航行概论》为教材授课，主持关于人造卫星研发的研讨会，参观火箭的组装以及第五研究院的引擎测试基地。一年的学习后，4名工程师返回上海，分头开展自己的研究，将钱学森传授给他们的知识传播给更年轻的技术人员和大学毕业生。
钱学森的弟子需要政府许可才能够在上海的工厂里开展建造人造卫星的工作。因此，计划被拖延了几年。1965年1月，钱学森开始向党中央大力推动人造卫星项目。他指出，中国在东风导弹的研发上已经取得了长足进展，足可以计划开展另一项更大的太空项目，此外，在远程导弹和洲际弹道导弹项目中取得的成就也令中国有可能发射自己的人造卫星。钱学森提醒上级领导，相关工作庞杂繁复，因此最好尽快开始进行。
当年夏天，钱学森发射人造卫星的提议终于得到了领导层的首肯。1965年4月29日，国防科学技术委员会给出的计划显示，第一颗中国自行研制的人造卫星将于1970年或1971年上天。中国政府希望这颗卫星可以从地面上看得见，而且能够发送可以被全世界听到的广播。1965年8月10日，周恩来正式批准人造卫星计划，并将其列入国家发展计划中。
1966年5月，以钱学森为首的科学领导小组决定，将中国的第一颗人造卫星命名为“东方红1号”，并在1970年以前使用长征一号火箭将其发射上天。一些其他研究机构与第七研究院一道从事人造卫星的研发工作，其中便包括中国科学院。中科院设立了专门的实验室和一个名为“651所”的设计研究所，负责东方红一号的理论研究。
这一项目充满风险。如果在一些环节上出了问题，钱学森和中国的声誉都会受损。中国人近乎赌博地决定使用一个只经过部分测试的运载火箭，而它仅仅在几个月前刚刚经历了一次发射失败，技术上的问题依然存在。卫星可能会脱轨，美国人可能在中国人确认卫星轨道之前便觉察到它的存在，卫星上播放的《东方红》歌曲如果因为通讯故障而跑调的话，也可能会被视为对毛泽东的不敬。中国人最怕的一件事便是卫星项目最终可能变成一个巨大的国际笑话，正如美国人1957年的“先锋”（Vanguard）卫星项目一样。
1970年春天，钱学森前往酒泉发射基地，监督发射前的准备工作。那一年4月份，周恩来将钱学森召回北京，与他讨论运载火箭的改进问题。钱学森和另外4人于4月14日飞回首都，在周恩来主持的特别会议上作报告。大约一周之后，4月24日，毛泽东批准了发射计划。
那天晚上9点35分，中国的第一颗人造卫星从酒泉双城子基地发射升空。发射过程近乎完美，“东方红1号”每144分钟绕行地球一周，清晰地传送着《东方红》的乐曲。中国成为第5个有能力向太空发射人造卫星的国家，仅在苏联、美国、法国和日本之后。
在中国，钱学森被颂为英雄。5月1日，红旗飘扬的天安门城楼上，《东方红》的乐队伴奏声中，钱学森受到了毛泽东和其他国家领导人的大力表彰，他在设计和发射中国第一颗人造卫星中的贡献得到肯定。
钱学森的成功在国际上也引起了反响。他的名字和照片再一次出现在世界各地的新闻报道中。“在美国接受训练的科学家为北京计划了第一颗人造卫星。”《华尔街时报》当年4月27日的报道中称。“完成这一伟业的大师是钱学森。”《费城问讯报》（Philadelphia Inquirer）如是写道。《波士顿先驱报》（The Boston Herald）将钱学森称为“替中国发展火箭并促成昨日卫星环绕地球的高潮一幕的那个人”。“一些美国的科学界人士猜测，中国科学家钱学森或许在这一技术和宣传壮举中扮演了重要角色。”《基督教科学箴言报》则这样写道。《华盛顿明星晚报》的文章中表示：“钱学森被认为是中国太空项目的推动力量。”
回首往事，钱学森或许会带着满意的冷笑。很大程度上，正是因为他和其他一些才华横溢的中国人的归国之举，中国的核武器项目才会取得如此迅猛的发展。
——《中国的蘑菇云》，威廉·莱恩和苏墨林，1967
钱学森在中国发展原子弹的过程中是否扮演了关键角色？在过去的几十年里，美国的媒体和科学家们反复强调指出，钱学森帮助中国制造了原子弹，而不仅仅是运载火箭。这种说法是错误的，然而，在中国原子弹的发展历史上，钱学森的确发挥了一定的作用。
例如，归国伊始，钱学森就向政府建言发展原子弹项目。在1956年讨论12年国家科学发展计划的系列会议上，钱学森也谈到了核反应堆与热核反应的重要性，甚至言及使用核能为飞机和潜水艇提供动力的事情。
因为钱学森位居高职，他对原子弹的研发动态一直所知甚详。1960年，钱学森推荐自己的弟子郭永怀从事秘密的核武器研发工作。这使得第五研究院和从事原子弹研究的第九研究院之间建立起了密切的私人联系。两个研究机构的合作使得中国自制的导弹可以与核弹头更好地协调工作。在第五研究院担任副主任的郭永怀加入第九研究院后，只用了8年时间就在压力、震动、结构强度、环境和飞行测试等领域作出了突出的贡献。
关于中国核武器计划的消息至少有一次是由毛泽东亲自透露出去的。在被告知中国的第一枚原子弹将在10月成功完成试验后，1964年，毛泽东兴奋地对钱学森和其他科学家宣布，中国在原子弹的研究上迈出了一大步。“我们搞原子弹很有成绩呀。”毛泽东这样说道。几个月后，1964年10月16日，中国在罗布泊引爆了第一颗爆炸力2万吨当量的原子弹，从此成为世界上第5个拥有核武器的国家，与美国、苏联、英国和法国一道，跻身“核俱乐部”。
钱学森还花时间为多个核武器项目提供咨询。1966年12月28日，中国在新疆塔里木盆地罗布泊以西500英里处引爆了一颗原子弹。几天后，12月30日和31日，钱学森参加了在实验基地召开的研讨会，他和8位专家公认此次试验大获成功，并敦促中国政府尽快进行氢弹实验。此外，1970年以前，钱学森还与核物理学家钱三强共同担任某个核潜艇项目的顾问，尽管他在这一项目中的具体作用仍不为人所知，而项目本身也相当保密。
“核武器的研发不是钱学森的专长，”何祚庥这样写道，“但他对此甚感兴趣。”
根据这些来自中美科学家的叙述判断，钱学森的成就远远超出他自己的预期。除了对手下人加以启发和教导，向他们强调学习基础理论和研读参考文献的重要性，他还确保了来自高层的支持。他在管理有数千名科学家参与的举行项目方面能力非凡，与此同时，他倡导的工程系统却又能令组织内部事无巨细均洞若观火。钱学森在军队基本建设上扮演了重要角色，使中国拥有发射洲际核弹的能力。在他的倡导和督促下的众多项目使中国得以步入太空时代。
只要看一眼中国20世纪50年代之后航空航天事业的发展速度和提升幅度，就会明白钱学森的领军地位到底有多么重要。如果钱学森没有适时回国，中国或许将推迟导弹项目，从而令整个发展进程滞后。中国的太空项目如今依然蔚为壮观，至少拥有3个导弹发射基地，一系列不同功能的卫星，无数的超音速和亚音速风洞，“长征”系列运载火箭，一个培训太空飞行员的项目，并具备制造液态和固态推进燃料的能力。此外，具有政府背景的长城工业总公司和中国精密机械进出口总公司则负责将火箭技术售往国外。
表面看来，钱学森对于他生活了20年的美国并无恶意。“我永远都不会忘记那些在我滞留美国期间给予我帮助和支持的正直的美国人，”钱学森刚刚回到中国时，对一位中国记者谈起他在加州理工学院的朋友们，“他们就像所有热爱和平的美国大众一样，与美国政府截然不同。美国政府的行为不是他们的行为。中国人民对美国人民并无恶意。我们想要成为朋友，和平共处。”在重新讲述自己的故事时，钱学森告诉中国媒体，他从来都没有将机密技术文件带出美国，这令美国人大吃一惊。
“文化大革命”结束后，在邓小平的领导下，中国逐渐从动乱中恢复过来。长期停滞不前的科学与工业建设在20世纪70年代末重新开始。钱学森的家庭也恢复了正常。钱永刚参了军，钱永真被上海军医大学录取。蒋英重回中央音乐学院，继续授课并将外国音乐介绍到中国来。
钱学森开始对许多事情产生兴趣。20世纪70年代末到80年代，他担任了多家科普杂志的顾问和科学协会的名誉会长，替航空杂志写卷首语，亲手给自己的崇拜者回信。他对不同话题发表自己的意见，滔滔不绝地谈论针灸和沼气，并敦促将对不明飞行物的研究纳入到地理教学中去。他还提议，建立研究垃圾回收系统的特别国家委员会。他盛赞中国女性，认为她们的智力一点儿都不比男性逊色。
1991年10月，中国政府将一个中国科学家所能获得的最高荣誉——国家杰出贡献科学家的称号颁与钱学森。整整一个月，钱学森在媒体上频频曝光。《人民日报》用整个头版报道钱学森的事迹，国家前总理李鹏亲笔写了贺信。10月16日，在人民大会堂举行的颁奖典礼上，时任党总书记的江泽民发表讲话说，钱学森代表了真正的爱国主义精神。
钱学森被当成其他科学家崇拜学习的典范。李鹏和江泽民号召知识分子像钱学森学习，中国科学技术协会也发动大家以前学森为榜样，学习他的爱国精神和科学态度，脚踏实地的工作风格，以及对党和祖国人民的忠诚。