中國人迅速意識到，即使借助錢學森豐富的知識和經驗，也不可能立刻上馬導彈項目。當時的中國，沒有一家工廠可以生產出所需的複雜材料。沒有大型風洞，沒有引擎測試基地，沒有發射基地，沒有專攻火箭推動問題的大學研究所。甚至，連一本拿得出手的有關這一學科的教科書都沒有。
當錢學森充分瞭解到中國當時在科學、教育和國防方面的落後時，他感到有些茫然。「既沒有研究工具，也沒有研究設備，」他寫道，「這時候，我的思想轉了一百八十度，從樂觀一下變為悲觀，真是覺得作科學研究寸步難行，簡直急死人……我不知道在艱苦的環境中奮鬥、找出路，怎樣白手起家。」
40年後，中國擁有了世界上第三大核武庫，成為第三世界國家最主要的武器供應商之一。中國報刊上的文章稱頌錢學森為開創了奇跡的人，他讓一個在1955年的時候還造不出一台像樣的汽車或自行車的國家在太空科學發展上作出了革命性的突破。
他是如何做到的呢？在這場了不起的革命中，錢學森究竟扮演了什麼樣的角色？
要想回答這個問題並不容易。直到最近為止，幾乎所有與導彈相關的活動都屬於軍事機密。僅僅在過去的一兩年中，中國才開始在官方歷史記載或發行量有限的專著中披露相關的信息，要麼就是新聞報道中一些含糊其辭的大致介紹。最近，為了樹立自己在世界導彈發射市場上的權威形象，中國開始注重宣傳工作。但即使曝光增加，許多問題依然是未解之謎。甚至那怕是想要獲取幾張導彈研究機構或導彈發射的歷史照片，都相當的困難。
錢學森本人不願對記者多說話，甚至不願在自己在世時出版正式的傳記。這只會令獲取信息變得更加困難。此外，中國政府經常改變研究機構和導彈項目的名稱；對於同一種導彈，中國、美國和蘇聯經常有不同的叫法；不統一的名稱讓歷史記載撲朔迷離。所有這些都增加了重構歷史的難度。
儘管手頭的信息有限，經過3年的研究和整理，我們還是從含糊的文獻記載和官方歷史中拼出了一幅大致圖像。最有價值的信息源自本書作者在1992年華盛頓世界太空大會（World Space Congress）上與幾位中國頂尖導彈科學家的訪談，以及1993年夏天的上海和北京之旅。
很明顯，在過去的40年中，錢學森為中華人民共和國作出了四大貢獻。
首先，錢學森給了中國政府最重要的東西——信心。說到底，錢學森並不是第一個向中國政府提議發展導彈項目的人——蘇聯顧問早在錢學森之前就這樣建議過。但顯而易見的是，錢學森是第一個其意見得到認真聆聽並被付諸實踐的科學家。「錢學森的角色是象徵性的，」曾經在錢學森手下工作過的一位導彈科學家林津1993年對本書作者說，「他並沒有做出某項特別的貢獻，或是研發出某一種特殊的導彈，但最重要的是他的全局觀點和組織能力。他是能夠向毛澤東和周恩來提出方案和建議的人。他給我們弄來研究經費。如果沒有錢學森，國家領導人可能根本不會作出開展導彈研究項目的最終決定。」
其次，錢學森總是能夠一次又一次地啟發手下人做出至關重要的成果。錢學森領導著一群比他年輕整整一代的中國火箭科學家，他們被認為是中國空間研究技術的脊樑。這些人中的絕大部分在蘇聯大學裡接受教育，後來在國內被委以重任，指揮著一個個科學家小組。錢學森教導過這些人中的大部分，並對其中最卓越者加以栽培提拔。他們常常夜以繼日，廢寢忘食，只是為了得到錢學森的一句表揚。
然而，這並不代表錢學森放棄了他固有的威嚴和傲慢。對於那些他認為智力不如他敏捷的人，錢學森明顯缺乏耐心。在中國，他比在麻省理工學院和加州理工學院時更加拒人於千里之外。「錢學森的聲望非常高，」一位曾在他手下工作過的科學家回憶道，「他簡直就是神。」幾年後，一些曾經擔任過錢學森高級助手的人對本書作者說，他們從來不記得和錢學森有過輕鬆的私人談話。所有這些都似乎表明，錢學森歸國之後，似乎對誰都不相信，誰都無法與他分享他內心深處的想法——即使是他的家人。
再次，錢學森的貢獻在於他反反覆覆地強調，在書裡可以找到許多問題的答案。他的辦公室裡總是堆滿了書籍，人們經常看見他埋頭苦讀的樣子。他的一位秘書甚至倡議成立了一個秘密小組，專門把錢學森的書借給其他科學家閱讀。在指點年輕後學時，錢學森總是再三強調「對相關材料的調研與分析」。許多他認為重要的信息都來自美國出版物，於是，錢學森教會其他人如何從美國學術期刊中獲取有用信息，甚至商業雜誌上的航空公司廣告，也可以用來推測美國國防工業的進展程度。在中國，錢學森改變了軍隊圈裡的教育哲學，他解決了一個重要問題，就是讓以往學習俄語的年輕中國科學家認識到，事實上，所有最好的太空研究方面的文獻都是以英語寫成。
最後，錢學森證明自己有創建機構的能力。光靠一兩個科學家是造不出導彈的。眾多的科學家和技術人員必須齊心協力，形成團隊，在一個基礎上分工合作。錢學森在中國最偉大的成就之一是推動了國家科學發展綱要的確立，此外，他還領導成立了國防部第五研究院——中國的第一所導彈設計研究所。中國最早的幾枚導彈、最早的人造衛星、導彈跟蹤和控制遙感系統以及「春蠶」導彈，都是在錢學森的倡議和主持下研發成功的。此外，也正是因為錢學森，系統工程在中國成為一門科學，以其為基礎建立的管理結構令工程師們可以在將誤解和官僚主義最小化的情況下彼此順暢交流溝通。
下面就是錢學森在中國的故事。
回國第一年，錢學森致力於建立一所專門研究應用力學和國防用途的高速空氣動力學的研究機構。1956年1月5日，力學研究所在北京正式成立，錢學森擔任所長。
開始時，羽翼未豐的研究所設施相當簡陋。整座大樓裡只有一部電話，鈴聲不斷，都是找錢學森的。他的辦公室位於四層而電話裝在一層，為了接聽電話，錢學森不得不跑上跑下。研究所裡幾乎沒有什麼可用的設備，只購進了一些必須靠手搖操作的台式計算機。錢學森做夢都希望有一天，中國可以製造出小型的電腦。
錢學森的時間一半用來開會，制定研究所的研究目標，另一半時間則花在參加所裡不同研究分支的學術研討會上。一些留美歸來的科學家為錢學森提供幫助。當時的副所長是1946年在加州理工學院獲得航空工程博士學位的郭永懷，錢學森以前的學生和密友。負責項目運作的是許國志，錢學森歸國途中在郵船上結識的系統科學家。回國後的第一年，錢學森每週都在力學所主持學習班，培訓來自地方大學院校和天津的科學家。
錢學森為中國科學研究制定的計劃與10年前他在《新視野》中為美國空中防禦勾畫的里程碑式的藍圖極其相似。3月份，上百名中國和蘇聯科學家來到北京，擬定了未來12年的中國科學發展計劃，集中力量發展56個關鍵領域的科學研究。錢學森作為國家科學計劃委員會的重要成員，「扮演了一個決定性的角色」，何祚庥在他的文章中寫道。錢學森確保了國防工業中的關鍵領域——原子能、導彈、計算機科學、半導體、電子學和自動化技術——被予以特殊重視。至關重要的是，他向中國政府指出，發展導彈的重要性遠遠高於發展飛機，因為導彈的速度更快，而且可以攜帶武器跨越洲際。
錢學森有著異乎尋常的自律。他是研究所裡最勤奮的人之一，每天早上7點30分準時到達辦公室，通常比其他人早到半個小時。他常常奮筆疾書數小時之久，要不就是埋頭研讀技術專著，只有午飯和晚飯時才短暫離開一下。晚上7點到10點之間，他常常還要回到辦公室工作。他的辦公室裝飾極其簡單，只有一張大寫字檯，幾把椅子，一個擺放電話的小圓桌，一個金屬文件櫃，一台打字機，以及兩個頂著天花板的大書架，上面塞滿了數學家、物理學家、力學家、生物學家和音樂家的生平傳記。
儘管錢學森自己並不知情，但這些書籍卻教育了整個研究所的人。其他的研究人員急切地盼望讀到錢學森的藏書，渴望瞭解來自國外的科學動向，更渴望知道怎樣才能成為像錢學森一樣偉大的科學家。不過，錢學森週身散發著一種拒人於千里之外的疏遠氣息，大多數人發現很難向他開口。當時擔任錢學森秘書的張可文想到了一個解決辦法，她偷偷地把錢學森的書借給大家。「我的想法是，如果有10個人可以像一個人那樣容易地看到一本書，為什麼不去增加知識的總量呢？」張可文說，「我就告訴其他的人，他們可以讀到錢學森的書，但是絕對不能將這些書帶出研究所。如果錢學森馬上需要，這些書必須能馬上還回來。我為每一本借出的書都作了記錄，登記它在誰手裡。錢學森一直都不知道這事。」
錢學森參與了第五研究院的創立，這標誌著中國導彈研發的正式開始。
回國僅僅幾個月，錢學森就成為國內最有聲望的科學家之一，扮演起科學界和政府高層人士之間的聯絡員。國防部長彭德懷在與錢學森見面時與他討論了短程定向導彈的問題，後來還派專人與錢學森深入分析定向導彈研發的優點和問題。錢學森還與其他軍方高層人士見面會談，敦促他們盡早將人造衛星和運載火箭的研發作為一國之重加以考慮。1956年2月17日，錢學森向黨中央提交了一份秘密倡議書，請求建立航空和導彈研發的研究機構。國務院總理周恩來為此召開特別會議，討論錢學森的提議。10月8日，政府就決定成立國防部第五研究院，錢學森被任命為第一任院長。
第五研究院建立之初也相當寒酸。一座舊醫院和兩所療養院被改造成辦公室，只有100名僅有初中文化的工人，100～200名仰慕錢學森的聲名而投至其門下開始學徒生涯的大專畢業生，錢學森是研究院裡唯一一個火箭專家。錢學森迅速意識到培訓的重要性，於是在所裡開設了一系列非正式的工程學課程，教授「火箭概論」。他以前在加州理工學院的學生莊逢甘則擔任空氣動力學課程的講師。許多學生後來成為中國太空項目的骨幹人才。在發表於《人民日報》上的一篇文章中，錢學森描述了當時全中國的大學和研究機構嚴重缺乏受過教育的人才的情形：
我們首先意識到，當前最緊迫的問題是教學，而不是馬上進行獨立性研究。因為我們急缺教授，一些大學畢業生也被選中進行教學任務。每所學院招來的教職員工被分成小組，每一組專注於一個問題。他們寫課堂筆記，討論教學方案和示範方法。每一組都由一位教授率領。當課題太新而沒有這方面的教授時，從事這一領域工作的蘇聯專家會被請到中國來領導該小組。
自然，這些新教員在面對學生時有時會遇到問題。但也有解決辦法。當一位老師遇到學生提出的難題時，他通常不會馬上回答。在每天晚上的教師分組會上，這些問題將被充分討論，得出正確答案。這樣，我們不僅可以擁有眾多的教師，而且還能讓他們在學生面前保留師道尊嚴。
最初的幾年中，每個週日下午，錢學森都會邀請第五研究院的項目主管到他的家中，出謀劃策，交流心得體會。幾十年後，錢學森回憶道：「說老實話，我當時對能否完成黨和國家交給我的任務並無信心。在美國時，我曾經做過與定向導彈和人造衛星有關的一些工作，然而，我從未參與過任何導彈發射工作。我別無選擇，只好向同事們取經。」
事實從一開始就擺在面前：中國需要外援，理論上，只能是蘇聯的幫助。中國需要的是真正的導彈，不管有多落後。它們將被用來作為自行研發的樣板。
20世紀50年代，中國開始與蘇聯展開購買導彈技術的談判。1956年9月13日，莫斯科方面同意賣給中國兩枚R-1型導彈，當年12月蘇方交貨時，中方才發現，原來它們不過是德國V-2型導彈的複製品而已。中國政府要求更先進的導彈，但直到第二年，當赫魯曉夫急切地需要得到毛澤東的支持以對抗國內外的政敵時，蘇方才作出妥協。
1957年夏，錢學森作為中國軍方代表團的一名成員前往蘇聯。儘管此行的細節仍屬機密，但可以合理地推測，錢學森必定直接或間接地參與了與蘇聯關於購買更先進的導彈的談判。10月15日，中蘇簽訂了《中蘇國防新技術協定》，協議規定，蘇聯向中國提供導彈模型、技術文件、研發的工程設計、發射基地以及技術專家，幫助中國仿製導彈並培訓火箭研究領域的人才。
在幾個月的談判之後，蘇聯賣給中國兩枚R-2型導彈，它是R-1型導彈的升級版。12月24日，一支蘇軍導彈營抵達北京，帶來了兩枚R-2型導彈和相關的發射設備。一些科學家記得，導彈部件在深夜被火車秘密運至第五研究院。專家們後來指出，得到R-2型導彈讓中國人有機會接觸到現成的火箭系統，這一事件標誌著中國的導彈研發開始進入實質性階段。
那一年，更多的蘇聯技術專家陸續抵達，幫助中國發展太空計劃。在1958年下半年，蘇聯一共送來10151份與R-2型導彈製造、測試和發射相關的藍圖和技術文件。此外，第五研究院又購買了兩枚R-2型導彈。與此同時，將近100名蘇聯人來到北京，擔任科學顧問。
從1958年4月到1959年4月，中國人民解放軍從各單位調配了3000多名技術專業人員，加上300多名來自工業界的工程技術專家，都充實到錢學森的第五研究院中來。與此同時，政府向蘇聯大學中派遣了更多的留學生，在那裡學習火箭技術。第一波留蘇的航空工程畢業生迅速成為導彈研發團隊中的第一梯隊。
第五研究院的新來者通常是20多歲的未婚男性，在蘇聯大學進修過工程學。在接到任命的那一刻起，他們的生活便開始變得保密起來。年輕的工程師坐著汽車來到第五研究院，沒人告訴他們未來的職位和職責到底是什麼。他們嚴禁與朋友或家人談論自己生活或工作的地方，只能用郵箱代號代表自己的地址。1958年，甚至連第五研究院這個名字都屬於機密。洩露這個研究機構存在的人可能被判刑。
令人難以置信，中國最開始時居然拒絕對購買自蘇聯的R-2型導彈進行仿製，甚至不肯對它進行嚴肅的研究。在一種過於自信甚至自我欺騙的氛圍中，許多中國科學家和官員相信，他們可以不借助任何蘇聯幫助建造自己的導彈。但不久之後，真相便顯現出來，一些老科學家指出，在1959年之前發射人造衛星的目標根本不可能實現。儘管R-2型火箭的飛行距離太短，甚至無法攻擊日本的美軍基地，它的負載也太小，沒辦法將建設中的中國原子彈發射上天，但R-2火箭卻可以為科學家們提供啟動自有導彈項目的技術上的準備。
1959年初，當時負責戰略武器項目的聶榮臻元帥宣佈，第五研究院將仿造中國購自蘇聯的R-2型導彈。這一項目的代號為「1059」，這也是仿製中的導彈的名字。1959年1月，蘇聯人來到中國，幫助中國科學家生產導彈。4月和7月，中國代表團訪問蘇聯，討論為這一項目進口更多機械設備的問題。
儘管中國人宣稱可以不借助蘇聯幫助自行建造導彈，但他們很快便發現，即使是仿製一枚現有的導彈，也相當困難，工程浩大。僅僅是製造R-2型火箭的引擎便要有14個工廠的參與，涉及1400道工序。錢學森迅速意識到，在導彈製造的每一個相關領域，中國的條件都極為欠缺。第五研究院甚至難以獲得最基本的原料：橡膠、不銹鋼管和鋁板。他們試圖通過進口一些材料並自行製造另外一些的方法解決這一問題，此外，他們也試過用類似材料取代最稀缺的品種。在中國仿製的蘇聯火箭中，使用替代材料的比例最終高達40%。由於使用替代材料，也因之產生了一些缺陷。
錢學森立刻便遇到了另外一個問題：工具短缺。為了製造導彈，科學家們需要大型鑽孔壓力機、車床、焊接設備和拼裝機器。因為沒有能夠完成這些工作的機器設備，第一代國產火箭的箭體焊接工作是由工人們手工完成的。第五研究院也繼續讓受過訓練的技師和焊接工人來完成火箭拼裝焊接工作。為了改善此種狀況，蘇聯啟動了一個焊接培訓項目，幫助中國人掌握複雜的惰性氣體弧焊接法以及其他一些必需的技術。
當新的俄式辦公大樓動工建造之時，導彈項目的最初參與者們只能湊合著辦公。經常可以見到工程師們在擁擠的走廊裡藉著一隻燈泡的微弱光線埋頭苦幹。行政辦公室暫時設在一所醫院和軍校的舊址中，而火箭組裝車間則由一座舊的飛機修理廠改造而成。一些科學家在連一扇窗戶都沒有的飛機庫裡夜以繼日，挑燈夜戰。到了夏天，暑熱難忍，年輕人都光著膀子或最多只穿一件背心，在機械手動計算機上狂敲。當時的住房條件相當簡陋，一些科學家實際上住在辦公室裡，或是睡在臨時的帳篷或軍營中。不過，大多數人住在附近的宿舍樓裡。年輕的工程師過著斯巴達式的生活，在食堂裡吃大鍋飯，自己洗衣服晾衣服。
這種情況貫穿20世紀50年代中國發展第一枚液態推進探空火箭的整個過程。參與這一項目的科學家們在類似於20世紀30年代加州理工大學「敢死隊」初期研究火箭時的條件下工作。簡陋的台式計算器，破爛不堪的設備，小型火箭，這就是他們擁有的全部。1960年，上海設計研究院的工程師們製造完成了一枚兩級非控制型火箭，它由裝有液態推進劑的主體和一個使用固態推進劑的推進部分構成。這枚實驗性質的火箭模型後來發展為T-7探空火箭。1960年初，火箭模型被運往上海郊區的老港鎮，在那裡首次發射。
如果錢學森見到那個發射基地的話，他可能會因為其條件之簡陋而潸然淚下。河邊的一大片廢棄空地上，是為發射場提供電力的發電站，油布為頂的干打壘棚子裡安放著一台50千瓦的發電機。自行車打氣筒被用來為火箭加注推進劑。指揮部在河對岸，不過是一個沙袋壘成的小土堆，在發射時起到保護觀測者的作用。沒有步話機，沒有揚聲器，也沒有電話，發射指令官只能隔著河大喊。然而，儘管設備簡陋，發射卻相當成功，T-7火箭模型飛了8公里之高。幾個月後，1960年4月18日，一個雨夜，錢學森抵達上海江灣機場，檢查T-7火箭的主發動機並觀看發動機的簡單測試。這年9月，T-7火箭成功發射，並成為中國第一代探空火箭的先驅。
與此同時，蘇聯人似乎卻在刻意向中國隱瞞一些火箭發展的關鍵方法。蘇聯科學家對一些文獻有所保留，不給中國同事看，而且經常回到大使館去查閱他們自己的參考文獻。兩個蘇聯原子彈專家尤其讓中國人大感不滿，他們被形容為「只聽不說的啞和尚」。
根據《中蘇國防新技術協定》，中蘇的合作關係原計劃持續30年，但在簽約後的第3年就宣佈結束。合作破裂的一個原因是蘇聯出爾反爾，不願再幫助中國開展核彈項目。1960年8月，蘇聯突然撤回所有在華專家。大約1390名蘇聯專家和顧問被緊急召回國，至少343個合同和257個技術項目被取消。中國對這種背信棄義的行為大加抨擊。這年夏秋之際，蘇聯人整理行裝準備歸國，帶走了他們的全部圖紙和文獻。不能帶走的文件則被統一銷毀。8月12日，穿著大衣、頭戴禮帽的錢學森與其他中國科學家一道在北京火車站送別第五研究院的蘇聯專家們。告別並拍照留念之後，蘇聯科學家及其家人登上火車，一去不復返。
中蘇友好關係破裂之時，美國和蘇聯均在技術上取得了顯著的進步，這進一步增強了中國對未來政局的不安心理。此時，中國的所謂導彈項目所擁有的不過是幾枚蘇聯的R-2導彈和一些中國留蘇學生從蘇聯獲取的技術材料罷了。為了應對潛在的國家安全威脅，中國領導人在核武器工業上投入了大量人力物力，使得第五研究院的規模呈爆炸性增長。
儘管蘇聯人走了，他們卻為中國的第一代短程火箭研發奠定了最初的基礎。1960年9月，中國發射了一枚由蘇聯製造但使用國產推進劑的R-2火箭，為未來仿造火箭的發射作好了準備。不久以後，以錢學森、張愛萍和電子學專家王錚為首的委員會便開始著手組織國產R-2火箭的首次試飛。
導彈被用火車運往藏身於甘肅戈壁中的雙城子基地。人們經常也將這個基地稱為酒泉發射基地。酒泉城的歷史可以追溯到漢代，那時候，中國軍隊駐紮於此，抵禦匈奴的入侵。幾個世紀以來，這裡的風景幾乎沒有改變過，群山和沙漠環圍下的小城孤寂無人，冬日寒風呼嘯，甚至可以吹起籃球大的石塊。
1958年，中國政府將人民解放軍第20兵團派往戈壁，在那裡建設火箭基地和居住設施。部隊官兵挖掘水井，種下楊樹和柳樹，修建道路和房屋。飲用水只能用卡車從遠處的城市運來。軍人們還鋪設了鐵軌。到1960年時，一條連接酒泉和北京的鐵路已經鋪就。工程師們通常要坐上4到5天的火車才能到達酒泉。很難說到底有多少中國的導彈專家、軍人和他們的家屬生活在1960年的酒泉，但時至今日，這個城市已經擁有49000名常住人口。
1960年10月，錢學森來到酒泉基地，視察中國自製R-2火箭的首次發射。此時，這裡已經建起了通往戈壁的柏油路，混凝土的發射台和幾棟兩層高的樓房也已完工。最開始的幾天裡，導彈在一棟建在鐵軌上的房子裡接受檢測，隨後，它被運往發射點。在那裡，吊車緩緩地將R-2導彈垂直安放在發射架上。三層腳手架上的操作工人緊張地檢查著火箭的各部件，填注推進劑，安裝電池和其他設備。
1960年11月5日早上9點，中國自製的使用無線電控制的R-2火箭在酒泉基地發射成功。在現場參觀的聶榮臻元帥在接下來幾天的慶功宴上向科學家們頻頻祝酒。聶榮臻說，這是飛過中國上空的第一枚由中國人製造的導彈，標誌著歷史的一個轉折點。從蘇聯的R-2導彈運抵北京之日起，錢學森和他的同事們花了近3年時間，才完成了這次歷史性的發射。
然而，接下來的幾年對於錢學森來說卻充滿挫折。
儘管1960年12月，中國成功發射了另外兩枚國產R-2導彈，但要設計更高級的可以實際運行的導彈，人們卻一時顯得束手無策。作為第五研究院的帶頭人，錢學森主持了中國第一代地對空彈道導彈——「東風」導彈——的研發工作。1962年3月，「東風2號」導彈被運往酒泉基地進行第一次試射。3月21日的發射中，導彈失去穩定性，在發射升空69秒之後便墜落爆炸。錢學森飛往基地檢查爆炸碎片，開展分析，試圖找出問題到底出在哪裡。「這次發射後，錢學森正確地指出了導致導彈墜毀的原因。」錢學森的弟子莊逢甘指出。在設計導彈的制導控制系統時，科學家並沒有將火箭的彈性震動問題考慮在內。引擎和火箭主體結構之間的連接太過脆弱，陀螺儀的位置也不對。
讓情況變得更糟糕的是，錢學森所熱衷的另一個項目卻因為被認為過於野心勃勃而被中止。1961年11月14日，錢學森任命自己為「東風3號」導彈的總設計師。按照最初設想，這枚以液氧和汽油提供推進力的洲際彈道導彈飛行距離可達1萬公里，與美國的阿特拉斯（Atlas）導彈類似。但這些目標對於中國的現實能力來說太超前了，在遇到無數經濟和技術上的挫折後，這一項目被取消。曾在錢學森手下工作過的中國火箭科學家，現任斯坦福大學國際安全與軍備控制中心助理研究員的華棣表示，儘管錢學森仍對其他項目加以督導，但這卻是他最後一次任命自己為某一導彈的總設計師。錢學森本質上是個完美主義者，而他身上理論科學家的一面遠超過務實的另一面，對他個人而言，如此遠大的目標或許充滿誘惑力，但對於中國當時的技術水平而言，卻實在過於龐大和複雜。
看上去，失敗反而令錢學森下定決心更努力地工作。從20世紀60年代到70年代，錢學森對中國的導彈項目作出了4項重大貢獻。他啟發並引導了一大批手下人的工作，向他們介紹那些關鍵的理論公式，讓他們應用到實踐中去。錢學森開創的管理系統讓官僚主義的影響最小化，並塑造了中國第一代導彈的組織和技術指導模式。
錢學森對待下屬常常恩威並施。在「東風2號」導彈失敗後，錢學森主持了一系列關於導彈重新設計的技術會議。在會上，他聽取其他頂尖火箭專家的意見，敦促他們「殺出一條血路」來，以解決眾多的數學問題。他的弟子莊逢甘回憶道，錢學森經常說：「美國人能做到的，我們中國人也能做到！中國人一點兒都不比美國人差！」
錢學森還介紹給這些工程師一些合適的參考資料。他自己的著作《工程系統論》在「東風2號」導彈的重新設計中便是一本非常有價值的參考書。錢學森對布裡斯（Bliss）公式的闡釋尤為重要。布裡斯是一位著名數學家，以其關於變量計算的研究而聞名於世。在「二戰」中，他的計算公式被廣泛應用於彈道的計算。在《工程控制論》中，錢學森將布裡斯的工作用於導彈制導系統的設計。後來，對「東風2號」的改進工作中，中國工程師據此完成了制導系統的設計。直至今日，中國的航天航空工程師們依然認為，錢學森的著作為中國從「東風2號」到「東風5號」的一系列導彈的發展提供了堅實的理論基礎。
在此期間，錢學森還將美國的工程管理計劃模塊引進到中國。設計一枚導彈的複雜性需要盡量減少管理體系中的官僚主義和內耗。導彈項目的管理者需要與上千名工程師和技術人員打交道，組織多個層面的工作：最高一層負責整個系統的結構，中間層負責引擎和制導系統，最底層則負責每一個組件。1962年，錢學森制定了一個增進各層面溝通交流的方案，這一方案與美國的「方案評估與技術審查」（PERT）系統非常相似。當初美國海軍為「北極星」（Polaris）導彈項目而設計出的方案評估與技術審查系統用計算機對項目中的各種變量進行分析。本質上講，它的作用就是為大型工程項目中的每一個步驟繪出一份流程圖，從而合理確定人力分工、所需時間、各部門的協作以及發展的不同階段。錢學森所制定的方案後來被用於中國遠程火箭制導系統的計算機設計。
1964年，錢學森在中國國家領導人主持召開的關於中國導彈發展方向的幾次重要會議上表現得相當活躍。在這些會議上，科學家和國家領導人重新修改了「東風」導彈項目的計劃，將國產R-2導彈改名為「東風1號」，「東風2號」導彈以日本為假定打擊對象，「東風3號」導彈以菲律賓為假定打擊對象，「東風4號」對準美國關島，而「東風5號」的潛在目標則是美國本土。
在這些會議上，關於火箭制導控制方案的設計理念最終表現為「留美派」和「留蘇派」之爭。以錢學森為代表的「留美派」最終取得勝利。這一派強調設備的每一個組件都相當可靠，而「留蘇派」則認為，只要火箭總體能夠工作，無需過分強調個別組件。
中國領導人決定作出妥協。從「東風2號」到「東風4號」，這些短程導彈均使用原始的皮帶式加速計，而在第一枚洲際彈道導彈「東風2號」上，使用高級的陀螺儀和萬向節。錢學森對此十分堅持。他宣稱：「我們絕對不能滿足於一枚初級的洲際彈道導彈。」
幾年之內，錢學森就開始看到了成果。1964年進行的幾次發射均告成功。5月29日，3顆中近程地對地導彈順利發射升空。此後，6月29日，經過重新設計的「東風2號」導彈也發射成功，導彈發動機的升空推力被降低，使其飛行距離縮短到1050公里。7月，導彈設計師們開始新的一輪改進活動，希望能夠增加「東風2號」導彈的飛行距離並改善其性能。
1965年11月，「東風2號」A型導彈的成功發射是中國人在此期間取得的一項巨大勝利。這枚導彈是失敗的「東風2號」導彈的升級版，也是中國第一枚實現了自主導航的導彈。「東風2號」A型導彈的負載量與「東風2號」一樣，均為1500公斤，仍不足以搭載重1550公斤的中國第一枚原子彈。但這枚導彈的飛行距離增加了約20%。「東風2號」A型導彈用彈身內置的小型計算機替代了雷達控制，這樣一來，敵人就無法通過干擾無線電信號而改變導彈飛行方向了。
「東風2號」A型導彈很快就被用來實施歷史上最危險的核試驗。1966年10月27日，中國人大膽地同時進行了原子彈和核導彈的試驗。這次試驗在甘肅的雙城子基地進行，「東風2號」A型導彈上搭載了一枚重1290公斤的小型核反應設備——設計者特地減輕了它的自重以滿足導彈的運載能力。」「東風2號」A型導彈在發射基地以西800公里的發射點升空，飛向新疆的沙漠，在那裡投下一枚爆炸力相當於1.2萬噸的核彈。
這次試驗為錢學森帶來了極大的知名度。《紐約時報》將中國在核武器上的進步歸功於錢學森，不僅在頭版故事中對他加以報道，還將其列為「新聞人物」。「冷戰的諷刺之處在於，那個公認為一手幫助中國造出第一顆原子彈並將其裝上導彈的人，卻在美國度過了15年時間，在這裡接受教育和栽培，被鼓勵，被崇拜，被厚遇，被信任。」發表於1966年10月28日的一篇《紐約時報》報道如是寫道。而當作家米爾頓·維奧斯特（Milton Viorst）從《紐約時報》上讀到錢學森的故事並以此為素材為《紳士》（Esquire）雜誌撰寫了一篇人物特寫後，錢學森的名字變得更加家喻戶曉。
「確切地說，這篇關於錢學森的故事不是典型的人物特寫而是一篇美國式的英雄傳奇，」威奧斯特在他的著作《流氓與英雄》（Hustlers and Heros）中如是評價這篇文章，「在我看來，它是關於一個人被自己逐漸喜歡上的國家所背叛的故事，一篇個人復仇的史詩……故事中的諷刺意味實在太吸引人了。一個中國人，本來一直從事著幫助我們製造導彈的工作，然後，在麥卡錫時代，卻被迫返回中國替中國人造導彈。這是一個我一定要寫的故事。」
中國在核武器上取得的成就也促使兩名美聯社記者——威廉·萊恩和蘇墨林——撰寫了一篇長文並發表於1967年7月25日出版的《遠見》（Look）雜誌上。這篇文章後來以「中國的蘑菇雲」之名發表，在書中，兩名作者將中國的成就歸罪於麥卡錫主義時期的捕風捉影。在書中，半數以上的篇幅都在講述錢學森在美國的經歷。「令人震驚的真相在於，如果沒有美國政府有關當局有意的協助，中國的核武器和運載火箭不可能在20世紀70年代以前研製成功。」這本書的封套上寫道。以此受到啟發，《60分鐘》節目還製作了一期錢學森專題《美國製造？》，並以下面的語句加以介紹：「一個關於美國如何在20世紀50年代的『紅色恐怖』下將發展核武器的大部分知識和經驗拱手相送給中國人的故事。」
「如果錢學森的人生軌跡有所不同，」專題節目中總結道，「他今天或許會是美國太空項目中的重要人物。」而當曼哈頓計劃的最初成員之一拉爾夫·拉普（Ralph Lapp）在《60分鐘》節目中被問及錢學森在中國核彈運載系統的研發中所扮演的角色時，他回答道：「我認為他是奠基人。事實上，以錢學森在火箭領域的背景，我認為他必定是中國彈道導彈計劃中的指路明燈。中國人已經獲得的和未來可能獲得的成就，都不可能不歸功於錢學森的帶頭作用。」
想要明確列出錢學森在導彈項目中的所有貢獻是一件不可能完成的任務，因為他的角色主要是領導者和管理者。但中國的科學家舉出了眾多具體事例，以此可以看出錢學森若然不凡的眼光和判斷力，而眾多項目的成功與此密不可分。
錢學森曾參與「海鷹」導彈的研發工作。1965年4月，他出席了由國防工業辦公室和第七機械工業部共同召集的一次會議。此次會議決定，在以蘇聯「冥河」（Styx）反艦導彈為模板改進而成的「上游1號」導彈的原型基礎上，研製用於海岸防衛用的「海鷹」系列反艦導彈。
這項工作在接下來的幾年中佔據了錢學森的大部分工作時間。當中國人在1966年12月測試第一顆「海鷹1號」地對艦導彈時，發現雷達系統存在問題。錢學森和其他科學家於1967年7月召開會議專門解決這一問題。第三機械工業部南昌飛機製造廠與第七機械工業部研究院對它進行了3年的測試和分析後，「海鷹1號」終於在1970年10月發射成功。從1965年到1970年間，遠程地對艦導彈「海鷹2號」也被成功研製出來，並經過了測試。在20世紀70年代，國防部決定聽從錢學森在20世紀60年代早期提出的建議，將導彈的雷達自動導航系統替換為紅外自動系統，因為雷達容易被干擾。在此基礎上，改進型的「海鷹2A號」導彈項目也得到批准。第三研究院的紅外與激光研究所為這枚導彈研發出了銻化銦紅外發射感應器，結構更合理的小型球面輪廓彈頭，以及取代液氮用空氣冷卻感應器的空氣淨化循環系統。在幾次失敗後，「海鷹2A型」導彈於20世紀80年代初測試成功。中國政府後來將「海鷹」導彈出口到了中東國家，在那裡，它被改名為「春蠶」導彈——這個名字更為美國公眾所熟知。
1966年，錢學森還提議設計擁有躲過反彈道導彈防禦系統的彈頭。60年代，當中國進行東風五號導彈的設計研究時，他們希望這枚導彈可以穿透美國的彈道導彈防禦系統。1966年1月4日，錢學森提議建造更高級的擁有突破防禦系統能力的「東風5型」彈頭，由此誕生了裝有電子反偵察系統及輕型誘餌導彈的返回式導彈。
錢學森在對導彈進行追蹤和遙控的遙測網絡的建立上也發揮了一定作用。這一網絡對1980年在太平洋上進行的兩顆洲際彈道導彈的發射奠定了基礎。至少需要3個觀測點才能建立起一個能對空中飛行的導彈的位置進行追蹤的遙測網絡。觀測點通過導彈發出的雷達信號計算出二者之間的距離。一個觀測點可以將導彈的位置定位於某一個球面上，第二個觀測點定位的球面與前一個球面相交形成一條弧線，第三個觀測點則能精確地將其定位為一點。儘管設在中國大陸上的3個觀測點已經可以滿足追蹤短程火箭的需求，但對於要飛到地球另一端的洲際導彈來說，它們就無能為力了。這樣，必須在太平洋上的艦船上設立觀測點，與大陸上的觀測點一道完成三角定位。
1973年，錢學森出任了海軍艦載導彈追蹤控制系統研發小組的負責人。在1973年9月召開的一次會議上，錢學森提議，在大陸建設遙測網絡，以陝西西安、甘肅酒泉和四川西昌為3個觀測點。他任命酒泉基地的導彈專家上官世盤進行測控網絡的規劃工作。上官世盤花了兩年時間，終於完成了一份初步計劃，並於1975年10月呈交給政府。這份方案得到批准並在當年上馬實行。
1980年5月，兩枚國產洲際彈道導彈在酒泉基地發射，飛向太平洋上空。中國大陸和南太平洋艦隊上10餘個遙測站的數百台通訊設備每秒報告一次導彈的速度、飛行姿態和高度。5月18日，第一枚導彈飛過了南太平洋的吉爾伯特群島，重新返回大氣層，在那裡完成彈體分離。導彈殘餘部分打開降落傘落在海面上，並釋放出藍綠色染料，從而令直升飛機易於識別和收回。1980年5月21日，第二枚洲際導彈也發射成功。上官世盤表示，這兩次成功發射是「錢學森最重大的成就之一」。
「錢學森很有遠見，」10餘年後，上官世盤這樣評價自己的導師，「如果我們沒有在10多年完成艦船雷達測控網的建設，這次發射簡直是不可能的。他比時代超前了10年，只是我們以前沒能意識到而已。他太偉大了。」
導彈項目之外，錢學森對中國航天事業作出的最卓越貢獻，還在於他在第一顆人造衛星締造的過程中所扮演的角色。幾乎從回到中國的那一刻起，錢學森就在不斷強調人造衛星的重要性。1958年1月，人造衛星項目正式啟動，錢學森和其他科學家完成了發展人造衛星的項目草案，並指定了一個代號「581」的工作小組。到1958年春夏之際，581項目已經成為國家重點發展項目，而在蘇聯發射了重達2000磅的人造衛星斯普尼克3號（Sputnik III）後，更成為重中之重。
「我們也要搞人造衛星。」毛澤東在1958年5月17日發表講話說。1962年，錢學森開始培訓這一項目所需的科學家。4名來自上海機電設計研究院的工程師被派往北京，在錢學森手下工作，掌握相關學科的技術。錢學森與他們每週開三個半小時的會，敦促他們學習英文參考文獻，因為幾乎找不到相關領域的俄文文獻，除了一份名為「火箭技術」的學報。這件事有點難度，因為其中3名工程師在中學和大學時學的都是俄語而非英語。錢學森還安排這些人以自己的著作《星際航行概論》為教材授課，主持關於人造衛星研發的研討會，參觀火箭的組裝以及第五研究院的引擎測試基地。一年的學習後，4名工程師返回上海，分頭開展自己的研究，將錢學森傳授給他們的知識傳播給更年輕的技術人員和大學畢業生。
錢學森的弟子需要政府許可才能夠在上海的工廠裡開展建造人造衛星的工作。因此，計劃被拖延了幾年。1965年1月，錢學森開始向黨中央大力推動人造衛星項目。他指出，中國在東風導彈的研發上已經取得了長足進展，足可以計劃開展另一項更大的太空項目，此外，在遠程導彈和洲際彈道導彈項目中取得的成就也令中國有可能發射自己的人造衛星。錢學森提醒上級領導，相關工作龐雜繁複，因此最好盡快開始進行。
當年夏天，錢學森發射人造衛星的提議終於得到了領導層的首肯。1965年4月29日，國防科學技術委員會給出的計劃顯示，第一顆中國自行研製的人造衛星將於1970年或1971年上天。中國政府希望這顆衛星可以從地面上看得見，而且能夠發送可以被全世界聽到的廣播。1965年8月10日，周恩來正式批准人造衛星計劃，並將其列入國家發展計劃中。
1966年5月，以錢學森為首的科學領導小組決定，將中國的第一顆人造衛星命名為「東方紅1號」，並在1970年以前使用長征一號火箭將其發射上天。一些其他研究機構與第七研究院一道從事人造衛星的研發工作，其中便包括中國科學院。中科院設立了專門的實驗室和一個名為「651所」的設計研究所，負責東方紅一號的理論研究。
這一項目充滿風險。如果在一些環節上出了問題，錢學森和中國的聲譽都會受損。中國人近乎賭博地決定使用一個只經過部分測試的運載火箭，而它僅僅在幾個月前剛剛經歷了一次發射失敗，技術上的問題依然存在。衛星可能會脫軌，美國人可能在中國人確認衛星軌道之前便覺察到它的存在，衛星上播放的《東方紅》歌曲如果因為通訊故障而跑調的話，也可能會被視為對毛澤東的不敬。中國人最怕的一件事便是衛星項目最終可能變成一個巨大的國際笑話，正如美國人1957年的「先鋒」（Vanguard）衛星項目一樣。
1970年春天，錢學森前往酒泉發射基地，監督發射前的準備工作。那一年4月份，周恩來將錢學森召回北京，與他討論運載火箭的改進問題。錢學森和另外4人於4月14日飛回首都，在周恩來主持的特別會議上作報告。大約一周之後，4月24日，毛澤東批准了發射計劃。
那天晚上9點35分，中國的第一顆人造衛星從酒泉雙城子基地發射升空。發射過程近乎完美，「東方紅1號」每144分鐘繞行地球一周，清晰地傳送著《東方紅》的樂曲。中國成為第5個有能力向太空發射人造衛星的國家，僅在蘇聯、美國、法國和日本之後。
在中國，錢學森被頌為英雄。5月1日，紅旗飄揚的天安門城樓上，《東方紅》的樂隊伴奏聲中，錢學森受到了毛澤東和其他國家領導人的大力表彰，他在設計和發射中國第一顆人造衛星中的貢獻得到肯定。
錢學森的成功在國際上也引起了反響。他的名字和照片再一次出現在世界各地的新聞報道中。「在美國接受訓練的科學家為北京計劃了第一顆人造衛星。」《華爾街時報》當年4月27日的報道中稱。「完成這一偉業的大師是錢學森。」《費城問訊報》（Philadelphia Inquirer）如是寫道。《波士頓先驅報》（The Boston Herald）將錢學森稱為「替中國發展火箭並促成昨日衛星環繞地球的高潮一幕的那個人」。「一些美國的科學界人士猜測，中國科學家錢學森或許在這一技術和宣傳壯舉中扮演了重要角色。」《基督教科學箴言報》則這樣寫道。《華盛頓明星晚報》的文章中表示：「錢學森被認為是中國太空項目的推動力量。」
回首往事，錢學森或許會帶著滿意的冷笑。很大程度上，正是因為他和其他一些才華橫溢的中國人的歸國之舉，中國的核武器項目才會取得如此迅猛的發展。
——《中國的蘑菇雲》，威廉·萊恩和蘇墨林，1967
錢學森在中國發展原子彈的過程中是否扮演了關鍵角色？在過去的幾十年裡，美國的媒體和科學家們反覆強調指出，錢學森幫助中國製造了原子彈，而不僅僅是運載火箭。這種說法是錯誤的，然而，在中國原子彈的發展歷史上，錢學森的確發揮了一定的作用。
例如，歸國伊始，錢學森就向政府建言發展原子彈項目。在1956年討論12年國家科學發展計劃的系列會議上，錢學森也談到了核反應堆與熱核反應的重要性，甚至言及使用核能為飛機和潛水艇提供動力的事情。
因為錢學森位居高職，他對原子彈的研發動態一直所知甚詳。1960年，錢學森推薦自己的弟子郭永懷從事秘密的核武器研發工作。這使得第五研究院和從事原子彈研究的第九研究院之間建立起了密切的私人聯繫。兩個研究機構的合作使得中國自製的導彈可以與核彈頭更好地協調工作。在第五研究院擔任副主任的郭永懷加入第九研究院後，只用了8年時間就在壓力、震動、結構強度、環境和飛行測試等領域作出了突出的貢獻。
關於中國核武器計劃的消息至少有一次是由毛澤東親自透露出去的。在被告知中國的第一枚原子彈將在10月成功完成試驗後，1964年，毛澤東興奮地對錢學森和其他科學家宣佈，中國在原子彈的研究上邁出了一大步。「我們搞原子彈很有成績呀。」毛澤東這樣說道。幾個月後，1964年10月16日，中國在羅布泊引爆了第一顆爆炸力2萬噸當量的原子彈，從此成為世界上第5個擁有核武器的國家，與美國、蘇聯、英國和法國一道，躋身「核俱樂部」。
錢學森還花時間為多個核武器項目提供咨詢。1966年12月28日，中國在新疆塔里木盆地羅布泊以西500英里處引爆了一顆原子彈。幾天後，12月30日和31日，錢學森參加了在實驗基地召開的研討會，他和8位專家公認此次試驗大獲成功，並敦促中國政府盡快進行氫彈實驗。此外，1970年以前，錢學森還與核物理學家錢三強共同擔任某個核潛艇項目的顧問，儘管他在這一項目中的具體作用仍不為人所知，而項目本身也相當保密。
「核武器的研發不是錢學森的專長，」何祚庥這樣寫道，「但他對此甚感興趣。」
根據這些來自中美科學家的敘述判斷，錢學森的成就遠遠超出他自己的預期。除了對手下人加以啟發和教導，向他們強調學習基礎理論和研讀參考文獻的重要性，他還確保了來自高層的支持。他在管理有數千名科學家參與的舉行項目方面能力非凡，與此同時，他倡導的工程系統卻又能令組織內部事無鉅細均洞若觀火。錢學森在軍隊基本建設上扮演了重要角色，使中國擁有發射洲際核彈的能力。在他的倡導和督促下的眾多項目使中國得以步入太空時代。
只要看一眼中國20世紀50年代之後航空航天事業的發展速度和提升幅度，就會明白錢學森的領軍地位到底有多麼重要。如果錢學森沒有適時回國，中國或許將推遲導彈項目，從而令整個發展進程滯後。中國的太空項目如今依然蔚為壯觀，至少擁有3個導彈發射基地，一系列不同功能的衛星，無數的超音速和亞音速風洞，「長征」系列運載火箭，一個培訓太空飛行員的項目，並具備製造液態和固態推進燃料的能力。此外，具有政府背景的長城工業總公司和中國精密機械進出口總公司則負責將火箭技術售往國外。
表面看來，錢學森對於他生活了20年的美國並無惡意。「我永遠都不會忘記那些在我滯留美國期間給予我幫助和支持的正直的美國人，」錢學森剛剛回到中國時，對一位中國記者談起他在加州理工學院的朋友們，「他們就像所有熱愛和平的美國大眾一樣，與美國政府截然不同。美國政府的行為不是他們的行為。中國人民對美國人民並無惡意。我們想要成為朋友，和平共處。」在重新講述自己的故事時，錢學森告訴中國媒體，他從來都沒有將機密技術文件帶出美國，這令美國人大吃一驚。
「文化大革命」結束後，在鄧小平的領導下，中國逐漸從動亂中恢復過來。長期停滯不前的科學與工業建設在20世紀70年代末重新開始。錢學森的家庭也恢復了正常。錢永剛參了軍，錢永真被上海軍醫大學錄取。蔣英重回中央音樂學院，繼續授課並將外國音樂介紹到中國來。
錢學森開始對許多事情產生興趣。20世紀70年代末到80年代，他擔任了多家科普雜誌的顧問和科學協會的名譽會長，替航空雜誌寫卷首語，親手給自己的崇拜者回信。他對不同話題發表自己的意見，滔滔不絕地談論針灸和沼氣，並敦促將對不明飛行物的研究納入到地理教學中去。他還提議，建立研究垃圾回收系統的特別國家委員會。他盛讚中國女性，認為她們的智力一點兒都不比男性遜色。
1991年10月，中國政府將一個中國科學家所能獲得的最高榮譽——國家傑出貢獻科學家的稱號頒與錢學森。整整一個月，錢學森在媒體上頻頻曝光。《人民日報》用整個頭版報道錢學森的事跡，國家前總理李鵬親筆寫了賀信。10月16日，在人民大會堂舉行的頒獎典禮上，時任黨總書記的江澤民發表講話說，錢學森代表了真正的愛國主義精神。
錢學森被當成其他科學家崇拜學習的典範。李鵬和江澤民號召知識分子像錢學森學習，中國科學技術協會也發動大家以前學森為榜樣，學習他的愛國精神和科學態度，腳踏實地的工作風格，以及對黨和祖國人民的忠誠。