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1946年的暑期，冯·卡门教授因与加州理工学院当局有分歧而辞职。作为冯·卡门的学生，钱学森也辞了职，跟随恩师前往麻省理工学院任教，专教空气动力学研究生。
美国在投入第二次世界大战之后，越来越意识到火箭的重要。而自1943年8月德军试制导弹基地的被发现，美国军方人士就加紧了和火箭俱乐部的接触。他们和已经担任美国某军事研究机构顾问职务的冯·卡门达成协议，成立军事研究小组。
冯·卡门推荐了钱学森。这样，之前与马利纳中断合作的钱学森与他再次携手，共同研究火箭发动机推进导弹发射这一课题。1943年11月，钱学森与马利纳合作完成了《远程火箭的评论和分析》的研究报告。在这篇报告中，他们对远程导弹的几种可能性进行了分析，并且指出如果利用当时的火箭发动机，则不能超越160公里的射程。如果制造射程更远、爆炸载荷能力更大的火箭，就必须研制更先进的火箭发动机。他们在报告中认为，这种发动机是完全可以研制出来的。这份报告如同一支兴奋剂，给沉闷的美国军事科研注入了生机。五角大楼的首脑们互相传阅着报告摘要。
但德国也在加紧进行导弹试验，刚刚兴奋起来的美国当局只好连夜研究对策，寻求应对措施。
最后决定，立即委托冯·卡门以最快的速度研制中远程导弹。冯·卡门接受任务后，向钱学森、马利纳转达了美国军政当局的要求，并将德军V1和V2导弹轰炸伦敦的情况告诉了他们。经过研究，他们确定由钱学森负责理论组的工作。钱学森又提名刚来到美国留学的林家翘、钱伟长一道参与理论组的研究。因为战时需要，美国当局批准了他的这一提案。有了林家翘、钱伟长的加盟，导弹理论研究工作进展很快。他们首先作了弹道分析，接着又进行了燃烧室热传导与燃烧理论的研究，并将研究成果及时提供给五角大楼。
当美国五角大楼的将军们看到一份份研究成果时，情不自禁地搓着手，兴奋地大声说道：“干吧，现在轮到我们啦！”
●美国火箭领导小组成员（左二为钱学森）
由于钱学森等人卓有成效的工作，这项被誉为“美国导弹先驱”的计划迅速被推上了研制轨道，一批“下士”导弹被制造出来，运往欧洲前线，变成了实实在在的针对法西斯强盗的威慑力量。
1945年6月，在美国陆军航空队司令阿诺德将军授意下，冯·卡门召集一批专家，在美国空军参谋总部成立了一个科学顾问团。
这个由36位优秀专家组成的科学顾问团的主要任务是研究未来战争中空军战斗所可能发生的一切遭遇，并制定出今后二三十年，甚至五十年的空军发展计划。
一直作为冯·卡门的亲密合作者的钱学森也被提名为成员之一，受聘担任火箭组的主任，并被授予上校军衔。他们立即参加一次重要的战略行动。当年，顾问团团长冯·卡门是这样向美国军方推荐钱学森的：
我们的朋友钱学森，是1945年我向美国空军科学顾问组推荐的专家之一。他是当时美国处于领导地位的第一流火箭专家，后来成了世界闻名的新闻人物……钱学森作为加州理工学院火箭小组的元老，曾在二次大战期间对美国火箭研究作出重大贡献……他是一个无可置疑的天才，他的工作大大促进了高速空气动力学和喷气推进科学的发展。由于这些原因，我提名他为科学顾问组的成员……我兴高采烈地带他一起到德国去考察希特勒的秘密技术发展情况。
该顾问团成立前，即1945年3月，阿诺德将军意识到德国导弹专家的重要，授意冯·卡门赴德以考察之名带回德国的导弹专家。在这次德国之行中，最精彩的插曲莫过“三代动力学家”的会面。
●1945年，钱学森随冯·卡门访问冯·卡门的老师——著名空气动力学家普朗特
与普朗特的会面——在动力学史上传为佳话。此时身在德国，为德国服务的普朗特，是冯·卡门的老师。而此时的师徒三人显得有些尴尬。但学术的伟大之处在于可以超脱政治。他们三个坐在德国导弹基地的小树林里，大谈空气动力学。
从德国考察归来，钱学森对美国战后飞机和火箭导弹的发展提出了长远的规划蓝图，出版后在科学界产生很大反响，奠定了钱学森在力学和喷气推进研究领域的领先地位，使其成为有名望的优秀青年科学家。在此期间，钱学森甚至独立为美国空军后勤司令部编著了一本内部教材《喷气推进》，这是美国第一部，也是世界第一部，全面和系统地论述火箭与喷气推进科学技术的专著。
钱学森和他的同伴奠定了美国火箭事业的发展。正如美国专栏作家密尔顿·维奥斯特说的那样：
钱对建造美国第一批导弹起过关键性的作用。他是制定美国空军从螺旋桨式飞机向喷气式飞机过渡，并最后向遨游太空的无人航天器过渡的长远规划的关键人物……
●20世纪40年代末，钱学森在加州理工学院向研究生授课
1947年2月的一天，36岁的钱学森成为麻省理工学院最年轻的终身教授。学校为钱学森安排了隆重的演讲会。到场的嘉宾包括美国国内著名的火箭飞行专家，来自加州理工学院、哈佛大学等著名学府的知名学者、同行，还有钱学森的同学、同事以及中国老乡，更为特殊的是，华盛顿五角大楼军界代表也来了。
这样热烈隆重的气氛，对钱学森来说，还是生平第一次。
那天，他作了《飞向太空》的演说，赢得了大家的喝彩。