20世紀40年代中期無疑是錢學森一生中最愉快、最成績斐然的幾年。他剛30出頭，創造力正值頂峰。在當了4年助教後，錢學森得到了在加州理工學院擔任航空助理教授的聘書，1943年秋天，他欣然走馬上任。儘管錢學森與中國政府此前簽有在美國只多待一年的協議，但此時的中國正依賴美方援助對抗日軍侵略，因此並未將此事予以深究。在加州理工學院，錢學森將自己的時間平分為兩部分，一半用於教學，另一半則投入到空氣動力學和噴氣推進的研究上去。正如年輕時代在亞琛大學擔任教授的馮·卡門一樣，錢學森也要學會在戰爭時期周旋於學術界、產業界和政府這三者之間。
整個20世紀40年代，加州帕薩迪納經歷了令人矚目的迅速增長，以至於商界將這10年稱為「奇跡10年」。那是洛杉磯飛機製造業急速膨脹的幾年，僅為美國政府就製造了10萬多架飛機。光是看一眼統計數字就足以讓人震驚：1939年，洛杉磯城裡從事飛機製造業的工人不過13300名，到了1941年，就增長到了113000人。那時候，飛機製造業提供了整個城市40%以上的就業機會，對工人的需求大到要僱用童子軍挨家挨戶地散發招工啟事，廣播電台和社區佈告欄裡也充滿了這樣的宣傳：「在飛機製造廠工作，樂趣無窮！」
在校園中，隨處可見戰爭所帶來的變化。根據海軍的「V-12人才培養計劃」，加州理工學院的本科生人數增加了一倍，造成宿舍嚴重緊張。每天早晨，起床號將整個校園喚醒，學生們按部就班地做早操、上課、吃飯、接受檢查。動不動就來上一場閱兵或操演，藍色海軍制服或橄欖綠色的陸軍制服基本上成了校服。一位加州理工學院的校友回憶道：「本科4年毫無花樣，沒有一點兒搞怪胡鬧的空間。」
阿羅約·塞科河谷也變了樣子。5年以前，敢死隊的實驗基地旁，只有鬼門大壩靜靜佇立，白色閘門孤零零地迎向破曉前清冷的空氣。現在，古根海姆航空實驗室與市政當局談妥，租下了阿羅約·塞科河谷裡的7英畝土地，河岸西側建起了鋼筋水泥的高樓，警衛24小時巡邏。錢學森需要持有安全通行證才能進入。乾枯的河床一度是敢死隊的男孩們歡呼跳躍、摩拳擦掌搗鼓火箭的地盤，現在卻成了門禁森嚴、閒人免進的軍事研究基地。
錢學森沒過多久就重新獲得了自由出入阿羅約·塞科河谷的許可。走在坑坑窪窪的土路上，錢學森低頭就能見到河谷裡幾棟又小又寒酸的鐵皮頂木屋。馬利納幾年前曾經佔用過其中一棟，另外兩棟是新建的實驗室，還有一座走廊極其狹窄的辦公樓——如果兩個人同時打開門走出去，「你很可能被磕掉大牙」，一位建築師如此回憶道。（建築早期，房屋嚴重不足，以至於馬丁·薩默菲爾德被迫把自己的汽車當辦公室。）山的一側開掘出了幾個實驗隧洞，在那裡進行液體和固體推進劑的實驗工作。從上往下看，這些鋪著鐵軌和枕木的隧洞呈現出奇特的三角形。
此前的火箭實驗差一點把加州理工學院炸翻。這些隧洞是為了讓有關火箭發動機的實驗可以在一個安全一點的地方進行。工程師們站在隧洞外，借助望遠鏡或防彈玻璃後的窺視孔觀察實驗的進行情況。點火後，火箭發動機開始震顫起來，令整個實驗室都為之震動，低沉的轟鳴聲淹沒了所有的對話，令人彷彿置身於尼亞加拉瀑布旁邊。有時候，當爆炸產生的碎片和氣流激射到混凝土牆壁和地板上的時候，工程師們會忍不住下意識地向後跳開。「半數以上的時間，火箭發動機以爆炸告終，鋼鐵碎片噴射得到處都是。」一位當事人回憶道。附近的居民不停抱怨河谷裡迴盪的奇怪噪音和爆炸聲，儘管他們不知道原因。直到戰爭結束很久之後，他們才知道，在阿羅約河谷到底發生了些什麼。
許多進展發生在錢學森缺席的那幾年時間裡。火箭小組已經製造出了美國第一台噴氣助力起飛發動機（JATO）。實驗初期的火箭只是些1英尺長、裝有兩磅黑色火藥的小傢伙，它們並不成功，因為噴氣助力起飛發動機經常在點火時發生爆炸。後來，傑克·帕森斯發現了其中奧妙：噴氣助力起飛發動機必須在完工後馬上點火，否則火藥中就會形成縫隙。1941年8月的一天，24台噴氣助力起飛發動機被火速運往加州河濱鎮的馬奇機場（March Field），綁在由空軍上尉霍爾姆·鮑詩依（Homer Boushey）駕駛的一架小型低翼厄科普（Ercoupe）飛機上。火箭點火之時，「飛機像被彈弓彈射一樣拔地而起，」馮·卡門多年以後回憶道，「我們從來沒見過飛機以如此陡峭的角度向上爬升。」這一年，美國國家科學院不僅繼續向加州理工學院提供研究基金，還從1942年財政年度開始時，將總數提高到了12.5萬美元。
美國海軍隨後與加州理工學院簽訂了研發下一代噴氣助力起飛發動機的合同。這一次，他們希望火箭小組製造出可以將200磅的負重推送至空中並停留8秒以上的發動機。這就需要有更好的燃料。1942年，帕森斯發現，如果把鋪路所用的瀝青和油加熱到350華氏度（相當於176.6攝氏度），然後與高氯酸鉀混合，澆注成形並冷卻，就能滿足這一需求。這塊看起來好像一塊硬邦邦的瀝青磚似的東西，在產生的推動力和燃燒持續時間上都超過了黑色炸藥。每平方英吋的新燃料可以提供2000磅的推動力，如果配上合適的噴嘴，它能夠令每秒5900英尺的推進速度成為可能。此外，這種燃料可以保存在高溫和低於零下的寒冷環境中。
在阿羅約河谷工作過的工程師們都清楚地記得，在20世紀40年代，固體推進劑是如何從一根香煙大小的很快就能燃盡的燃料棒，演變成可以全面燃燒的中空燃料柱的。這樣做的目的是在短時間內將推進劑的燃燒面積最大化，從而增加最關鍵的起飛第一階段的火箭推動力。研究人員開始時採用的辦法是在圓柱形推進劑的中間挖出一條細細的圓柱形管道，後來，古根海姆實驗室之外的研究機構研發出了一種更精巧的辦法，可以在推進劑柱中挖一個星形的長管道，極大地增加了推進劑內部的燃燒面積。然而，在20世紀40年代早期，固態推進劑仍因太愛揮發而不適用於軍事用途。（固態推進劑的一個危險因素是混合於燃料內部的氧化劑。一旦點燃，在推進劑燒盡之前，根本無法將其撲滅。）
研究小組將注意力轉向了液態燃料。他們嘗試了汽油與紅色發煙硝酸的不同混合配比，但這會使電動機振動失控並發生爆炸。最後，人們開始使用苯胺，它不僅可以解決振動問題，而且幾乎與硝酸同時燃燒，從而無需再使用輔助點火系統。1942年4月15日，小組人員在一架道格拉斯A-20A轟炸機上測試了兩台噴氣助力起飛發動機。它們使用液態燃料提供動力。實驗在莫哈韋沙漠中的穆洛克基地（Muroc Field）舉行。當飛行員保羅·戴恩（Paul Dane）少校點燃發動機時，這架自重20000磅的飛機依靠噴氣助力起飛發動機所提供的2000磅衝力，「像是被突然拽上了天」。馬利納高興地寫道：「我們現在可有了真正管用的東西，應該可以把法西斯主義者們送到地獄裡去了！」這是第一架在美國起飛的裝有永久性火箭動力系統的飛機。用馮·卡門的話來說，它標誌著「美國有實際應用價值的火箭學的開端」。
馬利納和他的團隊用了3年時間就得到了如此令人矚目的成就。3年中，政府對該小組僱用的人數和項目預算似乎全無限制。到1943年，超過80個人在馬利納手下工作——與最初僅有5名創始成員的「敢死隊」相比，著實是一個巨大的飛躍。一些人致力於研究空投魚雷，另外一些人則從事不同的液體和固體燃料的研究。1943年，小組成員被告知，下一個財政年度，來自美國國家科學院的項目資金將增加到65萬美元。
馬利納的領導才能也擴展到了阿羅約河谷之外。1941年，馬利納建議加州理工學院的火箭小組成立一家製造噴氣助力起飛發動機（JATO）的公司，並將產品賣給軍方。公司創辦時，錢學森也參與了一些外圍工作。他和馬利納曾幫助馮·卡門的一個律師朋友安德魯·黑利（Andrew Haley）解決了某些數學問題，從而幫黑利贏得了一樁涉及水壩建造許可證的複雜的法律案件。1942年，黑利來到帕薩迪納，幫助火箭小組成員開辦了美國航空噴氣發動機（Aerojet）工程公司。馮·卡門擔任總裁，馬利納擔任財務主管，帕森斯、薩默菲爾德和福曼擔任副總裁。他們每個人都拿出200美元，成為公司股東。黑利自己則拿出了2000美元。錢學森經常被請去從事顧問工作。公司最初的辦公地點是東科羅拉多街上的一間小屋子，原來是一家搾汁機生產商的辦公室。與此同時，在離帕薩迪納只有幾分鐘車程的盛產橘子的阿蘇查鎮，一個佔地1英畝的河谷地中，噴氣助力起飛發動機實驗台也在緊鑼密鼓地建造中。到1942年12月，美國航空噴氣發動機公司已經擁有120名員工。1943年，當海軍將一個建造用於艦載飛機上的噴氣助力起飛發動機的大合同給了美國航空噴氣發動機公司之後，這家公司經歷了第一次飛躍。在被通用輪胎公司收購後，美國航空噴氣發動機公司迅速成為全美最大的火箭和推進劑製造商，在20世紀60年代發射了美國第一艘太空火箭，並建造了全世界最大的火箭發動機。1994年，作為美國通用公司的一個子公司，美國航空噴氣發動機公司的年銷售額超過5.94億美元。
在所有這些科學活動緊鑼密鼓地進行時，加州理工學院裡，也開始流傳著關於約翰·帕森斯奇怪的夜生活和週末的謠言。留著黑色小鬍子的帕森斯感情豐富而又略帶陰鬱，馮·卡門在自傳中形容他為「一個傑出的化學家和一個討人喜歡的怪人」、「喜歡對天朗誦異教詩歌，還用腳打著拍子」。1942年6月，帕森斯搬到了南橘林（South Orange Grove）1003號上的一棟挪威風格的紅木別墅中。在帕薩迪納，這是一個被稱為「百萬富翁街」的富人區。在帕森斯別墅的前門，擺著一個身穿燕尾服的人體模特，手裡舉著一塊寫有「住戶」的牌子，旁邊是一個用來收垃圾郵件的大袋子。在後門，則放著一大罐敞著口的火藥，帕森斯吹噓說，它們足可以將整個街區炸飛。一個客人回憶道：「它總是敞著口，從來不蓋上，因為那會讓它顯得沒那麼可怕。」許多年後，客人們還記得，帕森斯的房間裡貼著金箔制的壁紙，傢俱也都金碧輝煌。一個房間裝有昂貴的音響設備，以雕花軟革包住牆壁，牆上還掛著一幅阿萊斯特·克勞利（Aleister Crowley）的大幅畫像。倫敦的花邊小報曾經將「有史以來最邪惡的人」的稱號賜給他。
克勞利是邪教組織「東方聖殿教」（Ordo Templi Orientis，縮寫為OTO）的一名大頭目。1943年後，東方聖殿教南加州分會實際上是在帕森斯的領導之下，由他在裝飾得如同「東方聖殿」的別墅密室中主持儀式。帕森斯最好的朋友和「敢死隊」小組成員愛德·福曼也是一名教徒。到了晚上，當地的東方聖殿教教徒穿上長袍，進入密室。人們常常能聽到緊鎖的大門裡面傳來低聲的吟頌和普羅科菲耶夫小提琴協奏曲的聲音。這些教徒們都信奉「無法無天，隨心所欲」的教條。
他們在一些大派對上會舉行某些儀式，那時候，別墅裡簡直人山人海。聯邦調查局從1940年就開始對帕森斯的狂野派對錄音，那時候他甚至還沒搬到南橘林。有時候，在閣樓正中，兩名穿著繡花長袍的女子圍著火堆翩翩起舞，周圍是頂上擺滿蠟燭的棺材。「那時候，我腦子裡想到的只有一件事，」一名客人回憶道，「如果長袍著火了的話，整棟房子都會像個火藥箱一樣被崩上天。」在另外的一些場合中，會有全身赤裸的孕婦跳過火圈。在這些派對上，客人們總是請求帕森斯朗誦克勞利的詩。他的朋友們會喊著說：「來一首《潘神頌》！來！來！來！《潘神頌》！」然後，帕森斯就會深吸一口氣，開始朗誦這首詩。他的聲音頓挫有力，每當讀到「潘」這個詞的時候，便會重重地跺一下腳：
來吧！來吧！
魔界放肆的情慾，已讓我麻木！
哦潘！哦潘！哦潘！哦潘潘潘！
富人和怪人都成了南橘林別墅的座上賓，他們渴望親眼見證那些性愛魔法。許多人決定搬到這裡居住。帕森斯的家裡很快就住進了一名歌劇演員，幾個占星師，還有那些著名的作家，比如科幻作家盧·戈德斯通（Lou Goldstone）和後來寫出暢銷書《戴尼提》（Dianetics）並創辦了科學教的海軍軍官羅恩·哈伯德（Ron Hubbard）。
帕森斯總是有出人意表之舉。有一次，或許是在1941年11月4日那天，馬利納接到了一個電話，通知他，加州理工學院古根海姆實驗室火箭項目中的某人被投入了監獄。馬利納回憶道：
那人是與傑克共事的一名機械師，看起來，他去過帕森斯的別墅。他們在那裡舉行降神會——具體做什麼我就不清楚了——（那個機械師）拿著把槍，在附近路邊找到一輛停在那裡的汽車。有一對情侶正在裡面耳鬢廝磨。那個機械師用槍指著他們，逼二人下車，然後搶過汽車一直開到好萊塢，顯然自己都不清楚自己在幹些什麼。在那之後，過了相當長一段時間，他才開車回到帕薩迪納。他一到科羅拉多大橋的旗桿那兒，警察就已經等在那裡了。
我到監獄去找這個傢伙談話，問他到底是什麼讓他做出如此愚蠢的事情。他什麼都記不清，我從帕森斯和福曼口中也什麼都沒得到……不過非常明顯，不管他們搞什麼鬼，帕森斯和福曼都在幹著一些令人擔憂的事。
1944年，帕森斯離開了噴氣推進實驗室，次年，他又告別了美國航空噴氣發動機公司。他英年早逝，去世時僅有37歲。1953年6月，在準備遷居到墨西哥去的時候，帕森斯在自家公寓樓下的停車場裡收拾實驗設備。顯然他不小心失手打翻了裝在咖啡罐裡的混合雷酸汞（一種烈性爆炸物），爆炸發生了。今天人們仍在猜測他的死因，爭論那到底是一次意外，還是自殺或謀殺。
拿到保密許可證之後，錢學森得以涉足美國國防部、空軍和陸軍軍械部的保密合同，這些合同都以10到20位數字代碼加以命名。錢學森的日程變得越來越緊張：1943年4月，他完成了一項關於高速飛行時XSC2D整流罩上方壓力分佈的研究；7月，一份關於使用噴氣機所產生的噴射力作為啟動液態推進泵的能量來源的報告出爐；10月，關於向固體推進劑中添加金屬固體以改善性能的可行性報告問世；1944年5月，錢學森提出報告討論壓縮機或渦輪機中葉片變形所帶來的影響；當年8月，他又替噴氣推進實驗室完成了一份關於平坦表面與高速氣流間熱轉換的文章。
那一年，錢學森與其他人一道，為政府選派至加州理工學院攻讀航空學碩士學位的空軍和海軍軍官講授特殊課程。這些人不過二三十歲，其中大多數已經結婚生子，擁有工程學學士學位，而且有著出眾的領導能力。這些被精心選拔出來，送到加州理工學院參加這項為期數月的培訓計劃的軍官，都被認定為有潛質成為未來美國國防工業研發項目的領導人。
按規定，錢學森只教兩門課，一門是工程學數學原理，另一門則為噴氣推進理論。但在這些學員的學習生活中，錢學森卻幾乎無所不在。每個週六上午，當這些軍官們驅車前往阿羅約河谷進行實驗室實習工作時，錢學森總會在那裡出現，為他們開設講座。當時流傳著一個故事：當一名學生發現錢學森在一天裡接連作了3個不同主題的講座報告時，他帶點兒怒氣地喊道：「喂，等到禮拜天，他不會該給我們上聖經課了吧！」
和許多教授一樣，錢學森也因為需要把精力從尖端研究轉向教學任務而感到不快。他顯然並不認為教書育人是自己的主要任務。錢學森依然熱心地準備教案，但他卻毫不掩飾自己對這種強制性教學任務的厭惡——或許，他只是認為要教的這幫明星學生並不像加州理工學院的學生們那麼聰明。「如果有人問了個愚蠢的問題，錢學森根本就不會回答。」霍默·喬·斯圖爾特回憶道。他還將禁止這些提問者再來上他的課。據A. M. O. 史密斯回憶，一個倒霉的研究生向錢學森表達了想修他的課的願望，但錢學森卻認為他不夠格，並且毫不留情面地當面對他這樣說。然而，這些軍方特別計劃中的學生們並無選擇。對於他們來說，錢學森講授的工程學數學方法是必修課。「大多數學生都怕死了這門課。」來自俄亥俄州萊特基地的空軍軍官切斯特·哈瑟特（Chester Hasert）回憶道。
學生們清晰地記得錢學森數學課上的情景。這門課的授課地點在古根海姆大樓的第三層。「他總是遲到一兩分鐘，我們總是坐在那裡，猜測他到底會不會來。」哈瑟特回憶說，「他急匆匆地走進來，一句話不說就開始在黑板上寫板書。他是個非常嚴厲的人，但這也是他所教授的數學這門學科對思維嚴謹的要求使然。」一言不發的錢學森會用細小而工工整整的板書將整塊黑板逐漸填滿，「沒有擦寫塗改，也不會回頭更改哪怕是一個符號，」錢學森的學生韋伯斯特·羅伯茨（Webster Roberts）回憶道，「他總是能正好在一堂課結束前給出正確的答案。」
在課堂上，錢學森的評語切中要害但又非常冷酷。有一次，一個學生舉手發問道：「我不明白第二塊黑板上的第三個等式。」錢學森根本就不予回答。另一位學生問道：「喂，你不回答他的問題嗎？」錢學森只是說道：「那是個事實陳述，不是一個問題。」
另一次，一名學生問道，錢學森剛剛提出的方法是否「萬無一失」（foolproof）。錢學森冷冷地瞪了他一眼，然後刻薄地答道：「只有傻子（fool）才需要萬無一失的方法。」在另外的一個版本中，錢學森的回答則是：「沒轍，傻子總會犯錯誤。」哈瑟特回憶說：「有時候錢學森嘴裡冒出來的句子拐彎抹角，我們要花上一段時間才能理解他到底想說些什麼。」說完這句話，錢學森就放下粉筆，大步走出教室。沒過多久，學生們就再也不敢問錢學森任何問題了。
學生們無法評估自己對這門課程的理解程度。在整個一學期裡，既沒有小測驗，也沒有期中考試，更沒有家庭作業。每到晚上，學生們便聚在一起，討論理解錢學森的板書筆記。正如一位學生所說的：「他的筆記全都是乾巴巴的數學，幾乎沒有一點演繹生發。他只是將公式抄下來而已。他用強調數學的辦法來彌補他在語言上的不足。只有那些數學學得好的人才能和錢學森『臭味相投』。」
最後，期末考試到來了。一些學生記得，錢學森出的一道考試題是：分析裝載重機關鎗對飛機的影響以及由此產生的結構振動力。「我認為，全班半數以上的學生都吃了零蛋，」哈瑟特回憶說，「這真是一個無情的打擊。」而另外一次，錢學森據說花了45分鐘才在黑板上把問題寫完，幾乎佔據了考試時間的1/3。「教室裡三面都有黑板，錢學森總是將它們寫得滿滿的，」1944年參加這一項目的羅伯特·博加特（Robert Bogart）回憶道，「他的字跡很像中文，非常的細小。其實，他本可以將這些內容寫在紙上，分發給大家的。」
有人懷疑，錢學森之所以把課程設置得格外困難，是為了炫耀自己在智力上的優越性。一名學生回憶道：
有一天，我正好在他沒想到有人會來的時候走進他的辦公室。在那裡，我看到他正在看一本菲利普斯（Philips）撰寫的矢量分析教科書。我跑到圖書館，也借了一本。錢學森的授課內容正是出於此書。但他使用的這本教科書幾乎是能找到的最差的一本了。每當我聽他講課時，我都會對自己說，他授課的內容多棒啊，他對這門學科真是融會貫通——比這本書的作者強太多了。而他這麼做完全是故意的，他是要表現出他與原作者相比是多麼的聰明。在那之後，我才明白，這是許多教授慣用的一個小花招。
學生們展開了報復行動。一群人組成一個委員會，找到馮·卡門那裡，抱怨錢學森課堂上講授的內容太難。當馮·卡門建議錢學森改變自己的教學方法時，據說錢學森回答道：「我又不是在幼兒園裡教書！這是研究生院！」正如學生們所回憶的，錢學森「一點都不肯退讓」。最後，馮·卡門只好請求年輕的助教拉索夫替代錢學森講課。
因為富有同情心而又循循善誘，拉索夫在學生中要受歡迎得多了。他與錢學森的教學風格形成鮮明反差。多年之後，拉索夫回憶起班上的學生時說道：「作為飛行員，許多學生都在太平洋戰爭中被擊落過不止一次。他們有胃病，視力也不佳，而且所有人都有經歷極度危險後的心理陰影。他們經常夢見自己的飛機被擊落，在海上漂浮幾個小時，直到獲救。但錢學森對他們卻太嚴厲了！我這個人好相處，而且理解那些軍官曾被擊落的往事記憶。我會從最基礎的問題講起，就當他們把以前學過的一切全都忘了。」
與此同時，錢學森卻在成為加州理工學院最令人討厭的教授的路上一路狂奔。「學生們都害怕他的嚴厲古板，他看上去就像個中國皇帝。」漢斯·利普曼回憶道。
然而，錢學森卻對那些他認為智力上有潛質的人毫不吝惜自己的時間和精力。在阿羅約河谷，一個與軍事項目無關的項目遇到了流體動力學上的技術問題。「完全是出於好心，錢學森為我們安排了一個計劃外的流體動力學研討班，使用霍勒斯·蘭姆（Horace Lamb）的著作作為教材。」錢學森的學生之一、在噴氣推進實驗室擔任工程師的倫納德·埃德爾曼（Leonard Edelman）回憶道，「這需要花上幾個小時備課，而對於那總計15個小時左右的課程來說，我相信錢學森至少花了5到10倍的時間來作準備。他這樣做完全是出於對學生的責任心，不計報酬。」愛德曼還寫道：
我記得有一天跑去看他……我說：「我的全部時間都花在研製那些用來炸掉別人腦袋的東西上，這讓我越來越鬱悶。你是如何保持這樣積極樂觀的態度的呢？」錢學森回答道：「我每天清晨起床，盡力把我力所能及的事情做到最好，不管那是什麼事。當我把我的腦袋放到枕頭上時，我覺得我很好地工作了一天，這就行了。我很高興。」儘管從那時起15年過去了，我仍記得錢學森的這段話。或許這是人類歷史上一個教師所能教給學生的最有價值的一課了。
錢學森不耐煩的根源來自那些他認為不合格的學生。「在錢學森眼中，愚蠢就是最大的犯罪。」錢學森的朋友安德魯·費耶爾指出。多年以後，費耶爾回憶起某次午餐會上馮·卡門對錢學森說過的話：「一個好的演講就是1/3的人理解你所說的每一個細節，1/3的人大致知道你在說什麼，另外1/3的人根本對你說的話不知所云。」據說，錢學森回答道：「我只對給那些能夠理解我說的一切的人講課感興趣。」他用言辭和行動表明，他寧願只和那些最優秀、最聰敏的加州理工學院學生打交道。
馮·卡門或許是加州理工學院中唯一一個錢學森始終對之畢恭畢敬的人。有時候，錢學森和他的學生會去旁觀馮·卡門難得一次的演講。當馮·卡門在黑板上演算某些數學問題時，錢學森埋頭在筆記本上將所有內容都抄錄下來。「馮·卡門有時會在黑板上推演一些他此前也從來沒有做過的理論，」錢學森的學生比爾·戴維斯（Bill Davis）回憶道，「並寫出某些極其困難的等式。在時間快結束時，馮·卡門會看著表，說：『我認為結果可能會是這樣的。』然後就將一個公式隨手寫到了黑板上。大約一周後，錢學森會走進來，把整個計算做完，然後說：『馮·卡門是對的。結果就是這樣的！』」在這些時候，錢學森彷彿重回學生時代，對自己老師的天資卓越而深為歎服。
儘管錢學森缺乏馮·卡門的個人魅力，但他卻極力效仿老一輩教授們的導師制度。「錢學森試圖像馮·卡門當年對他那樣對待自己的學生，」後來出任美國空軍副部長、曾受教於錢學森的約瑟夫·查裡克（Joseph Charyk）回憶道，「他們會在一起討論一個問題，然後馮·卡門會說，這問題很複雜，但為什麼我們不強調一下幾個地方，看看是否能夠把問題簡化？而這正是錢學森指導自己學生所採用的方式。將一個非常複雜的事情簡化為基本要素。」
錢學森還對馮·卡門說過的每一句話都銘記在心，彷彿它們是聖旨綸音。錢學森的學生倫納德·埃德爾曼寫道：「我猜他的目標就是比肩甚至超越馮·卡門，在那個時代，後者可能是全世界最受尊敬的科學家，只有他的老師路德維希·普朗特的聲望可以與他相提並論。」另一名錢學森的學生R. B. 皮爾斯（R. B. Pearce）則表示:「錢學森認為馮·卡門是一個富於同情心的偉人。他幾乎崇拜那個傢伙。」
1943年夏天，美國陸軍航空部寄給馮·卡門幾張在法國北部海域航拍的絕密照片。這些照片中，有一些形如混凝土滑雪跳台的奇怪建築物。軍方官員向馮·卡門請教這些是什麼。馮·卡門在仔細察看後斷定，這些建築物是火箭發射平台，但他此前卻從來沒有見過這麼大的。之後，空軍又寄給馮·卡門三份來自英國情報部門的德國火箭活動報告。儘管這些報告的主要內容不夠準確，它們卻向美軍洩露了德國人正在大規模建造火箭和導彈的秘密。
軍方立刻警覺並作出反應。1943年9月，陸軍軍械部成立了火箭發展聯絡部，負責研發工作。此外，他們還向加州理工學院派駐了兩名聯絡官：W. H. 喬伊納（W. H. Joiner）上校和羅伯特·斯塔韋爾（Robert Staver）上尉。喬伊納請馬利納撰寫一份評估美國火箭引擎推動長程火箭能力的評估報告。
當年11月，馮·卡門在馬利納和錢學森的技術支持下，將一份備忘錄形式的報告提交給喬伊納。他們推斷出，在現有的技術水平下，美國軍方無法製造可以飛行100英里以上的火箭。然而，他們提議成立一個新的研究實驗室——噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，簡稱JPL），在政府的資助下致力於研究製造可以飛行更長距離、炸藥承載能力更大的火箭。他們還提議，在噴氣推進實驗室對沖壓式噴氣發動機的可行性開展獨立研究。這種吸入空氣的推進系統可以為長程火箭提供動力。
在馬利納和錢學森的分析基礎上，馮·卡門又有所擴展。他建議制定一個共分四個階段的研究項目。首先，研究人員將對可以承載50磅炸藥飛行10公里的限制燃燒固態推進火箭導彈展開測試。其次，研究者將設計一個重2000磅、使用液態推進劑的火箭導彈，它將可以承載200磅負荷飛行12英里。第三步，將對沖壓式噴氣發動機進行理論研究。第四步，將完成對一個重10000磅、能夠飛行75英里的導彈的測試。在這份由馮·卡門在馬利納和錢學森的幫助下於1943年11月20日完成的新報告，第一次提到了「噴氣推進實驗室」這個名詞。幾年後，馮·卡門寫道：「我相信，我們的提議書是美國導彈項目的第一份正式備忘錄。」
相當奇怪的是，陸軍航空部卻拒絕了這一提議。來自空軍裝備司令部的反饋是，這個項目不能立竿見影。然而，幸運的是，喬伊納上校已經預見到了這一結果。他下定決心，要親眼目睹加州理工學院成為新的美國導彈研究中心。他敦促自己的同事斯塔韋爾上尉將這份報告抄送給陸軍軍械部，並附上一封熱情洋溢的推薦信。
陸軍軍械部再一次表現出慷慨和大度。多年前，陸軍軍械部曾向科學研究和發展辦公室負責人范內瓦·布什（Vannevar Bush）提議，開展制導導彈研究。布什拒絕了這一提議，理由是導彈天生就不夠精確，無法持續打擊目標，而投入研發更精確的導彈又會佔用戰爭其他領域所需要的人才。軍械部的官員將1943年11月的這份報告視為達成自己進軍火箭研究目的的一個機遇。薩姆·裡奇（Sam Ritchie）上校飛往帕薩迪納，與古根海姆實驗室的研究小組親自會談。為所見所聞而震撼，他要求研究小組提交一份更為詳盡的建議書。裡奇鼓勵他們擴展新的實驗室的研究領域，從而不僅將導彈的研究囊括進來，還要涉足導彈的實際製造：建造火箭雛形，設計精確制導和控制技術。
幾個月後，馮·卡門收到了一封來自陸軍軍械部G. W. 特裡切爾上校（G. W. Trichel）的信，信上標注的日期為1944年1月15日。信中寫道：
軍械部渴盼盡快著手研發遠程火箭導彈……我們準備提供這一項目所需的大筆金錢……項目預算每年以300萬美元為限。
300萬美元。「這樣的大手筆讓我們興奮得發抖！」幾年後，弗蘭克·馬利納在回憶錄中這樣寫道。接下來，加州理工學院校董事會於當年2月批准了名為「ORDCIT」的項目計劃，它是「軍械部與加州理工學院的合同」（Ordnance Contract to the California Institute of Technology）的首字母縮寫。
噴氣推進實驗室擬出了一份遠程火箭研發項目的人事架構草圖。領導小組由馮·卡門、馬利納、克拉克·密利根等人組成。在「加州理工學院研究與基礎設計」分部之下，另設4個小組：彈道、材料、推進和結構。在最初的組織關係圖中，錢學森被指派為推進小組的負責人，並與霍默·約瑟夫·斯圖爾特共同管理彈道小組。
1944年3月，錢學森為噴氣推進實驗室進行了一項重要的對比試驗，比較了不同噴氣推進系統的性能。與馮·卡門、馬利納和薩默菲爾德一起，錢學森對不同類型的火箭——「吸氣式」火箭、純火箭、高速與低速火箭、地面發射和飛機發射火箭——的優點和缺點進行了深入細緻的分析。他們推斷出，將渦輪式噴氣發動機和沖壓式噴氣發動機結合起來，或許是火箭發射升空後飛行最初階段的最佳解決方案。作出這一選擇是基於三個基本原因：首先，混合使用渦輪式噴氣發動機和沖壓式噴氣發動機的飛行器可以回收；其次，在飛行最初階段，可以從大氣層中獲取氧氣，從而使火箭能夠攜帶較少的氧，減少自重；最後，敵人很難擊落這樣的火箭，因為它可以由移動目標發射。
6月份，加州理工學院從陸軍那裡得到了建造ORDCIT火箭的合同以及160萬美元。此外，還有一個價值360萬美元的後續合同。1944年7月1日，與制導導彈相關的工作正式開始進行，這項工作分為4個主要研究領域。其中有JPL-1，最初的AAF引擎研究項目；JPL-2，測試固態推進水下導彈的研究項目；JPL-3，AAF沖壓式噴氣發動機項目；JPL-4，所有項目中規模最大、得到最多資助的ORDCIT合同項目。JPL-4項目的最終目標是建造一個能夠負載1000磅爆炸物的制導導彈，可以飛行150英里，精確鎖定目標，誤差不超過3英里。噴氣推進實驗室的創立者們希望先建造一個小型的固態推進火箭，並將其命名為「列兵」（Private）系列。之後，使用液態推進劑、自重較大的導彈被命名為「下士」（Corporal）系列。他們計劃對導彈加以逐步改造，給那些改進過的導彈賦予高一級的官階，一直到「上校」（Colonel）為止。
阿羅約河谷開始大興土木，從新墨西哥的阿布奎基運來大批一戰用剩下來的鋼材，新的建築物迅速拔地而起。不到一年，這裡的人員數目超過了200名，是以前的兩倍。在1944年夏季，錢學森成為噴氣推進實驗室的第一個研究分析小組負責人。這是他首次在一個主要科學團體中擔任領導。
作為噴氣推進實驗室的小組負責人，錢學森迅速在人們心中樹立起世界級噴氣推進專家的地位。他生逢其時。1944年6月，德國使用V～1和V～2導彈向倫敦進行了密集轟炸，在那之後，錢學森所專攻的這一領域頓時對美國軍方有了非同尋常的重要意義。在噴氣推進實驗室，錢學森負責「列兵A型」（Private A）導彈的研究工作。這是一枚小型固態推進導彈，其理念即源自錢學森和馬利納在JPL～1報告中的演算結果。10多名科學家在錢學森的手下工作，其中半數是擅長應用數學的理論學家，另外一半則是電子學專家。許多人都與加州理工學院有著千絲萬縷的關係——比如霍默·喬·斯圖爾特，航空系教授；林家翹，加州理工學院的新科博士；錢偉長，加州理工學院的博士後。
每個週三下午，西裝革履的錢學森都要到航空系大樓或天文系大樓中，與其他小組負責人一道開會。「我們最終意識到，關鍵問題是，帶頭人必須對彼此的專長有著充分的瞭解，」斯圖爾特說道。這些會議的重要性不亞於火箭發射時各小組帶頭人親臨現場。「正因如此，每個小組負責人都必須參加發射現場的測試活動，」斯圖爾特說，「大家都要睡在髒兮兮的帳篷裡，吃著同樣惡劣的食物，直到像瞭解自己一樣瞭解彼此。」噴氣推進實驗室中共有9個小組：研究分析、水下推進、液態推進劑、固態推進劑、材料、推進劑、工程設計、研究設計以及遠程控制。
1944年12月，列兵A型導彈萬事俱備，只欠測試。測試地點選在加利福尼亞巴斯托鎮附近利奇泉一帶的莫哈韋沙漠中。錢學森也到了現場。裝有設備的卡車駛入沙漠，支起了帳篷。矗立於高36英尺、有4排導向軌道的鋼鐵發射架上的導彈全長8英尺，裝有可以在34秒的時間裡提供1000磅密集推動力的主引擎，另外還有4台標準引擎，可以在發射中在不到1/5秒的時間裡為火箭提供21700磅的初始推進力。4個1英尺長的尾翼為火箭提供方向制導。如果測試成功，列兵A型導彈將成為美國第一個成功發射的引擎採用固態推進劑的導彈。
那天一切順利。列兵A型導彈的所有表現均合乎預期。在24次試飛後，這枚導彈的最大飛行距離可達23英里，最高到達了14500英尺的高空。與此同時，錢學森也幫助完成了其他一些導彈的初始設計，在他離開加州理工學院之後，這些導彈仍在被測試。其中之一是列兵F型導彈，它失敗了。這枚導彈是根據錢學森在1943年作出的預測所設計的，當時，錢學森指出，如果在彈身上增加額外的機翼的話，一枚導彈的飛行距離可以因此增加50%。1945年4月1日，列兵F型火箭在得克薩斯的布利斯堡進行了17次測試，但每次都因為缺乏有效的火箭制導系統而旋轉失去控制。
另外一個採納了錢學森的某些基本主張的火箭是「WAC下士」火箭（WAC Corporal）。這是一枚高16英尺、帶有655磅液態推進劑的太空火箭。1945年10月，當它在新墨西哥的白沙實驗基地發射時，到達了23萬英尺——超過40英里——的高空。它不僅是第一個飛出地球大氣層的人造飛行器，而且還充當了遠程制導火箭「下士E型」（Corporal E）的模板。後者在1949年6月發射成功。
1944年5月底，馮·卡門前往紐約接受胃部手術，直到當年9月中旬，他才又回到帕薩迪納。由於兩次手術所引發的疝氣，馮·卡門恢復得很慢。當他在紐約喬治湖的療養院中休養時，他繼續操心著噴氣推進實驗室的事。1944年8月，馬利納和錢學森前往紐約，其一是看望馮·卡門，其二，倚重馮·卡門指導的二人也需與其討論導彈的遠程控制的事情。
錢學森和其他的人對於馮·卡門長期不在帕薩迪納這件事深感憂慮。最明顯的跡象就是，弗蘭克·馬利納和克拉克·密利根之間的敵意已經愈演愈烈，一觸即發。馬利納一直以來就不喜歡密利根，因為後者在1936年火箭項目誕生之初時，幾乎將其扼殺於搖籃中。1945年10月25日，馬利納曾在噴氣推進實驗室的會議上對密利根大發脾氣，甚至將他的論文扔在地下，並以辭職威脅。一些證據顯示，錢學森與馬利納站在一條戰線上。「錢學森不喜歡克拉克·密利根，」錢學森的朋友漢斯·利普曼回憶道，「他曾對我說，我們乾脆全都離開算了，去他的古根海姆實驗室吧。馮·卡門不在加州理工學院這件事讓錢學森很不開心。」
1944年9月初，亨利·阿諾德將軍在停在紐約拉瓜迪亞機場的一輛小轎車中，與馮·卡門進行了一次秘密會談。在那裡，阿諾德對馮·卡門說，他需要一項可以為軍方描述未來空中戰爭、空中軍事力量和制導火箭的可行性的研究。「戰爭還未結束，」馮·卡門多年後回憶說，「然而阿諾德已經將目光投向了戰爭以後的趨勢，並意識到，技術天才將能夠幫助他尋找到軍隊或政府官僚機構無法提供、只能在大學和芸芸眾生中得到的答案。」阿諾德將軍表示，他需要馮·卡門召集一批科學家，效力於五角大樓，幫助繪出未來20年到50年的空中研究藍圖。受寵若驚的馮·卡門立刻答應了這一請求——只有一個條件：「不要有人對我發號施令，也別讓我對別人發號施令。」阿諾德向馮·卡門保證，他自己將是馮·卡門唯一的頂頭上司。之後，馮·卡門從加州理工學院請假離開，1944年10月正式成為美國陸軍航空部顧問。
當聽說馮·卡門再過8個月仍然不會回來時，中國研究生團體出現了騷動。在一封由錢學森、林家翹、錢偉長和郭永懷共同署名，寫於1944年11月7日的信中，這些中國學者以一種最後通牒式的口氣列出了一系列要求。如果馮·卡門計劃無限期地離開，他們希望馮·卡門可以幫助這些人謀取在其他大學的職位。錢學森希望去加利福尼亞大學，郭永懷希望在普林斯頓大學聲波小組中佔有一席之地，錢偉長希望得到另外一個研究崗位，而林家翹則中意布朗大學。他們寫道，沒有馮·卡門的主持，他們的研究很難繼續進行。馮·卡門的缺席也令他們無法繼續在一個充滿「有創造力的領導和溫暖的個人關係」這樣的氛圍中工作。
幾周之內，馮·卡門就向錢學森發出了一個相當有吸引力的邀請。他請錢學森和他一道前往華盛頓，與另外兩人一起擔任他的助手，並出任科學顧問小組的成員。這個小組的主要任務是為陸軍和空軍最高指揮官提供資訊，幫助他們衡量未來空戰的所有可能的選擇方案。與錢學森共事的另外兩名馮·卡門的助手是休·德賴登（Hugh Dryden）和弗蘭克·華敦德。他們和30多名頂尖科學家和工程師組成了精英雲集的科學顧問小組。在1944年底或1945年初，錢學森辭去了噴氣推進實驗室研究分析主管的職務，將教學任務移交給同事霍默·喬·斯圖爾特。這個10年前來到美國的年輕中國學生現在開始向華盛頓進軍。