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进入加州理工学院第二年，有一天，钱学森偶然遇见了同为冯·卡门学生的弗兰克·马利纳——他的博士论文题目是“火箭飞行和推进”。虽是初次见面，两人聊起火箭，都有说不完的话。
马利纳发出邀请：“钱，既然你这样喜欢火箭，参加我们的火箭俱乐部怎样？”
钱学森加入了这个后来被加州理工学院称为“自杀俱乐部”的小组。当时，该小组共有5位成员，都心怀宇宙飞行的梦想——但就当时看来，宇宙飞行简直就是异想天开，火箭研究难登大雅之堂。单靠满腔热情，研究工作还是行不通的——他们没有一点经费支持。好在那年冬天，该校一个钟爱摄影的教授对此研究前景比较乐观，决定支持该小组1000美元，条件是允许其拍摄。这笔经费是火箭小组——美国火箭发源地——的唯一经费。
思想开明的冯·卡门在第二年6月也渐渐肯定了该小组，他允许他们借用学校的实验室做实验。开始的几次实验都以失败告终，把学校弄得乌烟瘴气。最严重的一次，在发动机点燃3秒后，“轰”的一声巨响，震动了整座实验楼。
校长气急败坏地冲冯·卡门嚷道：“什么火箭俱乐部，简直就是自杀俱乐部！”
火箭俱乐部被逐出了加州理工学院。
一群年轻人的梦都还在。他们把火箭俱乐部迁到帕萨迪纳的阿洛约赛克，坚信梦想会成真，只要一直坚定地走下去。不久，小组建造了一座发射火箭的试验台——这就是美国最早的火箭发射台。它是火箭发动机实验站的重要组成部分。
1939年，钱学森与马利纳还提出一个重要观念：作为载体推动力的火箭，需要三级，而第三级最后可以离开大气的阻力。这对后来火箭的发展具有奠基意义。今天，太空火箭（包括航天飞机）发射成功的事实证明了他们的预见是完全正确的。
火箭小组的研究进展顺利。1938年夏季，火箭小组终于得到了美国航空工业界和军方的重视。时任美国陆军航空队司令的亨利·阿诺德亲自来到学校会见了火箭小组成员。长谈之后，阿诺德明白火箭对战争会有多么重要，遂和火箭小组签订第一笔合同，1000美元。一年后，火箭小组卓有成效的工作为他们赢得了第二笔合同，1万美元。
随着二战的爆发和火箭彰显的巨大威力，火箭小组的发展越来越受到重视。作为火箭小组的重要成员，钱学森被聘请为美国军方喷气技术训练班教师，讲授《导弹概论》。
从此，钱学森与美国的陆海空三军技术人员开始有了接触，也为美国的火箭事业作出了巨大贡献。正如第二次世界大战之后，美国空军在一次绝密报告中留下的记录：
钱学森为战争（第二次世界大战）的胜利作出了卓越贡献。
钱学森和马利纳因为火箭俱乐部成了朋友。在钱学森加入火箭俱乐部不久，兴趣广泛、热爱科学探索、钟情艺术政治的马利纳邀请钱学森加入马克思主义学习小组——马利纳是美国共产党员。
当时已是1938年，世界陷于动荡和混乱之中。国际形势风云突变：希特勒出兵占领奥地利；墨索里尼则宣誓全力支持这个法西斯头子。不久，德、意法西斯军队联合西班牙叛军占领了西班牙的首都马德里；在亚洲，日本帝国主义蹂躏着中国的华北地区，并占领了上海；而美国出现了新的经济大萧条。
霎时，大战的阴影越过大西洋，穿过太平洋，笼罩着美国社会。这期间，美国知识分子思想非常活跃。美国共产党在洛杉矶帕萨迪纳区有一个支部，被称为122支部，这是一个教授集团，支部的成员都是高级知识分子。这个支部的外围组织是马克思主义学习小组。这些高级知识分子对世界紧张局势表现出强烈关注，他们认真地学习马克思主义著作，认定马克思的方法论对理解战争大有裨益。
钱学森加入了这个支部。钱学森经常收到父亲悲愤的来信，国家的屈辱、民族的仇恨，使他义愤填膺。
让钱学森感到欣慰的是，小组的成员就像同情埃塞俄比亚和西班牙共和国一样，同情中国人民所遭受的痛苦。这里没有对中国人民的歧视，却有着对日本军国主义蹂躏中国大地的强烈仇恨。在这里，可以自由地谈论社会、国家和世界大事，可以尽情地抨击法西斯和军国主义；在这里，有的是温暖的友谊和广阔的胸怀。钱学森参加这个小组的初衷便是如此。后来，钱学森回忆这段岁月时说道：“在我的这些朋友圈子中，有着一批极有政治远见的学者，我在他们之中度过了青春期的一段极为短暂的快乐时光。”
然而，谁也没有想到，承载过钱学森“一段极为短暂的快乐时光”的马克思主义小组活动，日后竟成为美国当局阻挠钱学森回归祖国的借口，钱学森为此付出了沉重的代价——他在美国联邦调查局的监视下度过长达5年的痛苦时光。