錢學森在華盛頓的時光激動人心但又十分短暫。他發現，這個城市仍未從4年戰時的混沌無序中走出。「二戰」期間，政府公務員的人數增加了將近一倍，4年中發佈的各種文件和記錄的數量超出了此前歷史遺留文件的總和。在五角大樓中擔任科學顧問的錢學森被授予一枚金質徽章，可以參與最高國防機密。兩年之前，這座恢宏的建築才成為美國陸軍、海軍和空軍的總指揮部。
從12月到1月，亨利·阿諾德將軍在五角大樓舉行了幾次會議，闡述他對科學顧問團的期待。他的聽眾是40多名30出頭或剛屆不惑之年的年輕人，全都西裝筆挺，打著領帶。「在過去的20年中，空軍一直致力於培養飛行員，飛行員，更多的飛行員，但在未來的20年裡，我們將把重心放在科學家上。」阿諾德表示。
阿諾德將軍敦促這些年輕人從美國各地甚至海外尋找可以令美國空軍力量稱霸全球的新發明。「別擔心費用問題。」他向他們表示。忘掉過去，著眼未來。尋找一切可能，實現超音速飛行、無人駕駛飛機、高爆炸彈、空中偵察乃至於核動力推進等戰略目標。「關於設備問題，現有的這些只是供你們大膽想像的基礎罷了。」阿諾德說道。
為了貫徹阿諾德將軍的指令，錢學森走訪了美國其他的一些研究機構。從1945年2月到4月，他訪問了RCA實驗室、美國航空顧問委員會（NASA的前身）、噴氣推進實驗室（JPL）和其他研究機構，以對美國航空發展的動向瞭然於胸。「經常是有人說一句『咱們去加州和西海岸的那幫人開個會吧』，只需提前一小時通知空軍，當天就可以帶著牙刷坐上專機飛往加州。」錢學森以前的學生兼科學顧問團同事切斯特·哈瑟特回憶道。
在五角大樓時，錢學森通常總是忙著在寫報告。每天早上，他和哈瑟特先一起寫點東西，討論彼此的想法，然後再與其他專家交換草稿。「我們寫的那些東西都相當有爭議性，因為我們在預測未來。」哈瑟特說。據哈瑟特回憶，就在這段時間，錢學森完成了《軍事飛行器未來發展趨勢報告》的大綱。這份長篇報告討論了飛行器的不同推進和控制方式，還探討了高速空氣動力學問題。在這之後，哈瑟特和錢學森在五角大樓的餐廳共進午餐。「通過這些一起吃午餐的機會，我得以真正地瞭解錢學森。在五角大樓的他比當教授時和藹可親多了，他是個十足的紳士，非常有禮貌，非常客氣。」
1945年3月，德國投降前夕，阿諾德將軍向馮·卡門建議：「為什麼不去趟德國，親自考察一下德國人到底在研發上進展到了哪一步呢？」阿諾德希望，一個由頂尖科學家組成的調查小組可以參與到對德國人的審訊過程中去，調查德國的設備研發狀況。他還希望這個小組通過拜訪瑞士和瑞典這些鄰近德國的中立國家中的空氣動力學家，間接地收集有關德國的情報。
很明顯，馮·卡門希望錢學森可以同行。作為調查小組中唯一一個外國人，錢學森依然拿著中國護照，上面是美國政府1936年頒發給他的學生簽證。離開美國不成問題，但錢學森擔心，當歐洲使命結束後返回美國時，移民局可能會找他的麻煩。在發給五角大樓的電報中，錢學森寫道：「我需要美國移民局的保證，確保我可以再度入境。」4月17日，弗雷德裡克·格蘭茨伯格（Fredrick Glantzberg）給美國移民局去信，希望替錢學森爭取到一張出入境許可證，這樣當錢學森回到美國時，依然可以恢復原有身份。開始時，軍方對於這種許可證的合法性也心存疑慮，但在戰時的特殊情況下，他們對拿到許可證依然很有信心。果然，幾天之後的4月23日，美國移民局發給錢學森一張特別許可證，允許他在返回時保留原有身份。與此同時，空軍任命錢學森為上校，給了他一個專家顧問的頭銜。
整個4月，錢學森想必和調查小組中的其他成員一樣，忙於接種疫苗，申請軍事通行證，打點行裝。一份來自五角大樓的備忘錄建議，除了攜帶個人物品，軍事顧問團的成員還應攜帶小型急救包、手電筒、太陽鏡、匕首，以及「送給金髮女郎的小禮物，比如絲襪、口紅、指甲油和備用的美軍肩章」。這次旅行代號「慾望行動」（Operation Lusty），對此，馮·卡門的意見是「基本沒戲，但聽著不錯」。4月底，錢學森在弗吉尼亞的礫石點（Gravelly Point）機場登上C-54運輸機，飛往歐洲。
如果說錢學森之前還對這項工作的艱巨程度有所懷疑的話，沒過幾天，這種想法就被打消了。他的生活從來沒有這樣忙亂過，行程完全不可預測，很多時候剛睡醒從床上起來不久，他便發現自己已經身在吉普車中，正在向某個陌生的目的地進發。旅行路線並非從一個城市到另一個城市那麼簡單，地圖上的行程亂得像一張蜘蛛網。穿著軍裝的錢學森一直在全歐洲不停地移動，從一個實驗室到另一個實驗室，從一所大學到另一所大學，從這一家到那一戶。
錢學森參與審訊的第一個德國火箭專家便是大名鼎鼎的沃納·馮·布勞恩（Wernher von Braun）。此前擔任佩納明德陸軍研究基地[1]技術主管的馮·布勞恩，在該基地被蘇軍攻陷後向美軍投降。5月5日，在慕尼黑附近的小鎮科赫，錢學森見到了馮·布勞恩。關於此次會面卻沒有留下任何記錄。
然而，此次會面卻促成了一份極其重要的文件的誕生。在科赫，錢學森請馮·布勞恩動手準備一份關於以往火箭研究經驗和對未來發展的個人展望報告。最終便得出了一份名為「德國液態推進火箭的發展與未來展望」（Survey of Development of Liquid Rockets in Germany and Their Future Propects）的報告。在這份報告中，馮·布勞恩描述道，未來的火箭將可以在40分鐘內實現從歐洲到美國的飛行，衛星將能夠在一個半小時之內環繞地球，並且由「漂浮在半空，身著潛水服的人」在太空中建設太空實驗室。馮·布勞恩最異想天開的建議是在太空中用鋼絲網掛起一面巨大的鏡子，用它來反射陽光，燒燬敵軍的城市，烤乾湖泊和海洋。這份報告後來吸引了海軍航空部的注意力，並最終促使美國著手製造人造地球衛星。
在某一次訪問科赫的時候，錢學森還會見了魯道夫·赫爾曼（Rudolph Hermann），著名的德國空氣動力學家。赫爾曼完成了與V-2火箭有關的大部分理論工作，並曾領導一個設計超音速風洞的小組。多年以後，在赫爾曼的回憶錄中，錢學森是美軍科學顧問小組中唯一一個被赫爾曼提到的名字：
我記得其中一位錢學森博士，他是馮·卡門的貼身助手。之所以記得，是因為他曾寫過一篇名為「超音速氣流中的錐形體壓力分佈」的文章。他是唯一一個就這一題目給出完整理論的科學家。我們知道他的理論，因為這篇文章發表於戰爭結束兩年前。在我們的風洞實驗中，我們所使用的正是他的理論。我發現，在錢學森所在的國家，還沒有人對他的理論加以實驗，而我們卻這麼做了，因為我們擁有儀器設備，擁有超音速風洞，也擁有足夠的科學家和工程師。
在布倫瑞克城外佛肯羅德鎮附近的一片松樹林中，小組成員有了或許是這次任務中最令人激動的發現。那是在赫爾曼·戈林（Hermann Goering）空氣動力學研究所，馮·卡門在回憶錄中寫道：「這可真不得了。超過1000人在那裡工作，但卻沒有關於這個研究所的一絲風聲洩漏到盟軍的耳朵裡。」
在那裡，50～60棟紅磚砌成的二層小樓被種在屋頂的雜草和樹木所隱藏。研究所裡的設施包括一個口徑8米的風洞，一個高速風洞，兩個超音速風洞，一個武器實驗室和一個工廠。大多數建築物都被洗劫一空，但絕大多數儀器設備卻仍完好無損。此外，美軍使用金屬探測器，還找到了上千份保存在鐵盒中深埋地下的絕密文件。顧問小組就在赫爾曼·戈林研究所的房間裡工作和休息。據錢學森的同事回憶，他對與火箭和炸藥相關的文件尤為感興趣。
在研究所裡發現的一架有著三角形箭狀機翼的飛機模型引起了熱烈討論。不過幾個月以前，美國國家航空顧問委員會（NACA）的一名成員、流體動力學家羅伯特·瓊斯（Robert Jones）剛剛提出過一個富有爭議的理論，宣稱這樣的飛機可以突破飛行阻力，實現超音速飛行。錢學森及其朋友曾花上幾個小時的時間熱烈討論此種設計理念是否可行。但現在，箭翼飛機模型的存在卻表明，德國人不僅也想出了類似的理論，而且可能還通過實驗得出了一些結果。
1945年，科學家們仍在與通常被稱為「音速屏障」（sound barrier）或「音障」（sonic wall）的現象艱苦鬥爭。在速度接近音速的80%的仍能平穩飛行的飛機，再加速時便會突然遇到阻力的迅速增加，從而導致飛機失速下降。這種狀況與高速汽艇所遇到的情形相似。就像高速汽艇會因為自身產生的水浪的壓力而速度減緩，在接近音速時，飛機也會遭遇到空氣阻力導致的錐狀渦流。
瓊斯發現，呈倒V字形的後掠翼可以緩和超音速氣流的阻力，從而不會像平直型機翼那樣令高速飛行的飛機失速。擁有此種機翼的飛行器甚至可能突破音障。錢學森曾於無意間對瓊斯理論的早期形成產生了某些影響。1945年，羅伯特·瓊斯仔細研讀了錢學森發表於1938年的論文《傾斜旋轉體上方的超音速》。在這篇論文中，錢學森指出，一個細長的拋射體在高速飛行時，幾乎不會受到阻力的影響。瓊斯將錢學森的公式應用於高速飛機上，並驚訝地發現，如果機翼纖細，則幾乎不會出現阻力的影響。
1945年4月底，就在錢學森動身飛往歐洲前不久，瓊斯將他關於後掠翼概念的報告提交給了美國國家航空顧問委員會的評審委員會。然而，評審者卻對他的報告持懷疑態度。有人甚至建議瓊斯用「真正的數學」取代這套「騙人的把戲」，將他的整個理論稱為「誘餌和幻覺」。在會議進行中，瓊斯向科學顧問委員會的一名成員喬治·謝勒（George Schairer）大吐苦水，而後者在飛往德國的途中又與錢學森談及了此事。反覆討論後，錢學森和謝勒達成共識，瓊斯在理論上是正確的，但他的發現卻需要實驗結果的支持。
美國人在赫爾曼·戈林研究所附近的一個枯井中發現了這些結果。德國人在這裡埋藏了上百份關於火箭和空氣動力學的秘密資料。儘管紙張略有受潮，內容卻依然可讀。它們被帶到了哥廷根，在那裡，美國科學家（其中包括錢學森在敢死隊中的夥伴A. M. O. 史密斯）夜以繼日地研究這些文件，將它們掃瞄、編目、製成膠片，以便運往美國。這些文件顯示，著名的德國空氣動力學家阿道夫·布斯曼（Adolf Busemann）在瓊斯提出「後掠翼」理論10年以前，就已經提出了「箭翼」理論，但直到1942年，他的主張才得到認真對待。從那時起，德國科學家開始尋求實現超音速飛行的途徑。
必須有人馬上飛回美國，向軍方相應主管部門報告箭翼的發現。因為顧問小組不相信可能被截獲破譯的郵件或電報，他們推選了喬治·謝勒擔任特使。7月，喬治返回美國，隨身攜帶了一張2000英尺長的微縮膠片。「二戰」後不久，謝勒就為波音公司設計出了B-47型轟炸機，這是美國的第一架後掠翼轟炸機。
在德國，錢學森目睹了人性的種種可能：一個人既可以是創造性的天才，也會成為泯滅人性的劊子手。大約在5月上旬，錢學森很可能訪問了北豪森附近的杜拉集中營。一同訪問那裡的顧問小組成員回憶道，在集中營上方的山崖上，有一座帶有磚砌煙囪的小房子，旁邊擺放著二三十副沾滿鮮血的擔架。在房子裡面，是一大堆鞋子和衣物，以及用來從假牙上刮取黃金的銼子。集中營的倖存者不是瘦骨嶙峋，就是已經奄奄一息。他們來自波蘭、蘇聯、捷克以及其他東歐國家。借助翻譯之口，這些瘦得皮包骨頭的倖存者對美國人說，要帶他們去看「一些奇妙的東西……埋在山底下……非常重要」。
他們所指的正是隱藏在山下掩體工事裡的V-2火箭製造廠。一條鐵軌通向這個地下迷宮，其間的生產線綿延達數英里。在一個隧道中，躺著一艘完整的V-2火箭，還有一車廂接一車廂的火箭部件。這裡的部件足以製造75艘V-2火箭，美國人用了整整300節火車車廂才將其運走。在這個地下工廠，工人們如奴隸一般製造著殺傷力巨大的V-2火箭。在1944年的倫敦轟炸中，它們扮演了重要角色。一名納粹戰犯將杜拉集中營稱為「集中營中的地獄」。有人聽到從奧斯維辛集中營轉移到這裡的一名猶太人如此評價：「和杜拉比起來，奧斯維辛的日子好過多了。」一位目擊證人寫道：「對於那些走進隧道的人來說，唯一離開這裡的辦法就是死後化為骨灰。」隧道中有兩台充當焚屍爐的大型熔爐，在一年半的時間裡，超過25000名製造導彈的工人死亡。在「二戰」期間被送入杜拉集中營的60000名犯人中，半數以上未能倖存下來。
儘管錢學森是否真的到過杜拉集中營仍無法確認，但他的確曾經陪伴馮·卡門去過哥廷根。這是顧問小組成員在德國見到的第一個沒有化為一片廢墟的城市。在那裡，哥廷根大學的研究帶頭人依次接受審問。馮·卡門的老師普朗特也在審訊者中。他原本棕褐色的鬍子已經徹底變白了。「在我的記憶中，並沒有出現大家攜手敘舊、歡慶重逢的場面，」曾師從馮·卡門、當時列席了見面會的保羅·戴恩回憶道，「在某種程度上，馮·卡門顯得有點兒冷漠。」多年以後，馮·卡門在回憶錄中寫道：「在比豪森見到的一切仍在我眼前栩栩如生。我一點兒都笑不出來。」
馮·卡門對他年輕時代的恩師居然罔顧納粹政府以科學之名犯下的戰爭罪行而憤怒萬分。看起來，普朗特只對美軍意外炸毀了他家的房頂這件事耿耿於懷。與普朗特共事的其他人也同樣毫無悔意。有人如此說：「如果我們一定要被什麼人打敗的話，那我寧願勝利者是艾森豪威爾（Eisenhower）。他有一個不錯的德國名字，那就不會錯到哪兒去。」普朗特甚至向馮·卡門打聽，他的研究經費來自美國哪個部門。馮·卡門在回憶錄中這樣描寫此次會面：「我無法分辨，普朗特和他的同事們到底是天真得無可救藥呢，還是愚蠢或是惡毒。我寧願相信那是天真。」
錢學森似乎與馮·卡門一樣對德國人充滿反感。幾年後，當他拒絕參加一場有德國科學家出席的午餐會時，據說曾這樣說道：「我願意向德國人學習，但不會跟他們一起吃飯。」
整個5月和6月，錢學森巡視了全德國和歐洲各地的風洞設施，並完成了多份關於德國噴氣推進研究進展的報告。一些顧問小組成員準備動身前往日本，巡視那裡的空氣動力學設施。錢學森本應是其中之一，但由於某些未知原因，他並沒有加入此次亞洲之行。相反，他於6月20日動身返回華盛頓。
從德國回來之後，錢學森重拾在加州理工學院的研究和教學工作。在多年不知疲倦的辛勤工作後，錢學森開始看到回報。1945年11月，錢學森被由助理教授提升為航空系副教授。與此同時，在1945到1946學年度，錢學森在「二戰」期間的技術貢獻轉化成了3本主要出版物：專著《噴氣推進》（Jet Propulsion），《開創新領域》（Toward New Horizons）系列報告，以及關於「超空氣動力學」的論文。這些著作為美國的軍方和學術界帶來了深遠影響。它們還確立了錢學森在航空學界可能僅次於馮·卡門的領軍地位。
厚達800頁的《噴氣推進》一書由噴氣推進實驗室和古根海姆實驗室的成員們為美國空軍技術總署所撰寫。錢學森擔任這本書的編輯，負責將有關液態和固態推進火箭、熱推進、引擎、推進輔助升空、熱動力學、燃燒和空氣動力學等問題的章節彙編起來。在這本書中，還包含有錢學森和其他加州理工學院教授在1943到1944學年度每週分發給來自軍方的學生的講義影印件。兩年後的1946年，這一章已經成為軍事工程師的基礎必讀材料。正如火箭小組早期發表的論文彙編後來被稱為「聖經」一樣，這本《噴氣推進》也地位相仿。根據錢學森的同事艾倫·帕克特的講述，在許多年中，這本書都是「美國關於噴氣推進的最權威著作」。
當錢學森進行《噴氣推進》一書的彙編工作時，馮·卡門也在與陸軍航空部進行著類似的合作。1945年，馮·卡門為共分9章的《開創新領域》撰寫了其中介紹性的兩個章節，「我們在哪裡」（Where We Stand）和「科學，空中優勢的關鍵」（Science，The Key to Air Supremacy）。
在這兩章中，馮·卡門對未來軍事技術的預測令人興奮——甚至有點可怕。他預見到超音速飛機的出現，並描述了可以在高空或大氣層之外以17000英里每小時的速度飛行的無人駕駛火箭，其飛行距離可以長達10000英里——這是洲際彈道導彈的最早設想。馮·卡門甚至強調了使用核能推進火箭的可能性。他敦促軍方撥出更多經費建立新的研究中心，從事這些項目的研發工作。
《開創新領域》的系列報告將馮·卡門所有設想的關鍵點均加以詳述。其中討論了空氣動力學、飛行器設計、飛行器動力裝置、飛行器燃料、火箭推進劑、制導火箭、無人駕駛飛行器、炸彈、終端彈道、雷達通信、飛行醫學和心理學等話題。由科學顧問小組撰寫的這份系列報告為現代空軍的發展描繪出了藍圖。在錢學森的學生、後來出任空軍副部長的約瑟夫·查裡克的記憶中，「這是一個百寶囊，裡面囊括了國防部在未來幾年中將會考慮到的所有研發問題」。
錢學森也在《開創新領域》中給出了自己的看法和主張。錢學森至少執筆完成了這份報告中的6章，分別是高速空氣動力學、脈動式噴射引擎、沖壓引擎、固態和液態推進火箭以及超音速導彈。他將自己在德國和瑞士的發現加以總結，用了相當長的篇幅描述不同的風洞設施、後掠翼理論以及推進劑。他還詳述了戰爭期間在加州理工學院和噴氣推進實驗室所進行的理論分析結果。
這些報告中最耐人尋味的一章是「使用核燃料作為飛行器推進動力的可行性」（Possibility of Atomic Fuels for Aircraft Propulsion of Powers Plants）。它恰好完成於美國向日本投射原子彈之後不久。錢學森計算出，核反應釋放的能量大約是傳統燃料的100萬倍，並估算了使用核燃料作為熱推進動力裝置和火箭的可行性。他寫道：「這種熱值的激增意味著在所有的工程學實踐中，能量消耗將縮減為可以忽略的微量，而一架核動力飛行器所能達到的距離幾乎可以是無限的。」錢學森總結道，這樣一個系統的優越性完全值得軍方未來加以考察。
馮·卡門對錢學森的工作相當滿意，因此出面擔保，他會為他的愛徒在新成立的美國空軍總司令部科學顧問委員會中爭取位置。「年方36，錢學森已經是一個無可爭議的天才，他的工作為高速空氣動力學和噴氣推進領域的進展提供了極大的推動力。出於這些原因，我提名他在科學顧問委員會中任職。」馮·卡門在回憶錄中這樣寫道。
美國軍方對錢學森的成就也同樣印象深刻。1945年12月，美國陸軍航空部長亨利·阿諾德將軍為錢學森頒發了一張官方嘉獎狀，表彰他在沖壓式噴氣機和火箭性能等領域「卓越而完備」的研究工作，以及在動力和核能領域「無價」的貢獻。錢學森也受到了科學研究和發展辦公室的詹姆斯·科南特（James Conant）和范內瓦·布什的嘉獎。第二年，陸軍軍械部也因錢學森從1939年9月到1945年9月之間、在協助創辦噴氣推進實驗室中的「卓越表現」而對他通令表彰。
1946年5月20日，錢學森向《航空科學雜誌》提交了一篇題為《超空氣動力學及稀薄氣體力學》（Superaerodynamics, Mechanics of Rarefied Gases）的論文。這篇發表於當年12月的論文或許是錢學森在美國時發表的最著名的論文。它的空氣動力學家重新回頭審視機翼上方的氣流在大氣層內達到最高值時的表現。空氣不再是理想氣體，而是彼此經常發生碰撞的快速移動的粒子的集合。在較低的高度，空氣分子密度較高，氣體因此可以被看成是平滑和連續的。但在高空中，當空氣十分稀薄、氣體分子分佈稀疏之時，它們之間的碰撞便不那麼頻繁了。錢學森所做的，便是設計出了一整套全新的空氣動力學公式，將空氣的分子結構和氣體粒子之間的平均距離等因素均考慮在內。這樣，他就革命性地改變了空氣動力學家思考高空高速飛行的方式。
「錢學森的文章最早向人們發出提醒——『醒醒吧！醒醒吧！我們不能再將流體視為連續體了！』」航空工程師艾伯特·德·格拉芬萊德（Albert de Graffenried）回憶起這篇論文在當時的影響力時如是說，「它號召大家回歸基本問題：空氣不是一個連續體，它是由無數跳來跳去的『小乒乓球』組成的。我們在這之後所取得的成果，如進入同溫層和外太空等壯舉，都以這篇論文為基礎。」
這篇論文獲得極大關注並被頻繁引用。它奠定了錢學森作為美國最偉大的理論空氣動力學家的地位。然而，即使在這篇論文發表前，1946年，錢學森的母校麻省理工學院已經決定向他發出召喚。麻省理工學院的航空系給了錢學森一個副教授的職位，並許諾隨後轉為終身教職。看起來，錢學森剛剛接到邀請時很猶豫了一陣。「我認為加州理工學院給他施加了相當大的壓力，讓他重新考慮。」1946年6月14日，傑羅姆·亨塞克在給麻省理工學院校長詹姆斯·基利安（James Killian）的信中如是寫道。但最終，錢學森還是接受了邀請。
決定回到麻省理工學院是一個明智的選擇。在美國的學術體系中，學院通常鼓勵甚至要求學者在另一所學院獲得某些經驗後再取得全職教授的職位。「這是一個重要的轉變，而錢學森接受了挑戰，」加州理工學院的航空學教授霍默·喬·斯圖爾特指出，「如果想要在自己的領域中有所成就，獲取終身教職是極為重要的一步。」
還有其他重要原因促使錢學森接受來自麻省理工學院的聘書。他的朋友林家翹認為，錢學森重返麻省理工學院，是為了讓自己真正成為一名火箭科學家。「錢學森很有遠見，他明白，要想在火箭領域有所建樹，他必須掌握一些加州理工學院之外的東西。當時，加州理工學院與麻省理工學院是一種競爭關係。加州理工學院長於結構和空氣動力學，但在麻省理工學院，錢學森卻能學到更多的關於儀表設備和控制系統方面的知識。」林家翹指出。
1946年夏天，錢學森忙著打點行裝，準備奔赴新的崗位。1946年6月17日，他與馮·卡門以及另外20多名科學顧問出席了五角大樓的第一場科學顧問委員會會議。到了8月間，他正式辭去在加州理工學院的職位，並且終止了與噴氣推進實驗室的僱傭合同，將他所負責的研究分析部門的領導工作向同事霍默·喬·斯圖爾特作了交接。這之後，他整裝東去，重返那所10年前歡迎過他但又拒絕了他的大學。
[1] 位於德國西北部、毗鄰波羅的海的德軍秘密軍事基地，V-1和V-2火箭便在這裡誕生。