1937年春天，錢學森分到了自己的第一間辦公室。和他共享這間辦公室的，是一個名叫阿波羅·米爾頓·奧林·史密斯（Apollo Milton Olin Smith）的研究生，人們都叫他「阿莫」（Amo）。在史密斯的回憶中，錢學森「不愛說話」、「很傲慢」，而且除了工作對什麼都無動於衷。不過，史密斯所做的一件事卻引起了錢學森的興趣：他參加了學校裡的一個進行小型火箭發動機實驗的小組。
小組的創立者是弗蘭克·馬利納（Frank Malina），比錢學森早兩年進入加州理工學院的航空工程系研究生。1912年出生於得克薩斯州布倫納姆一個小鎮上的馬利納是個一頭黑髮、說話輕聲細語的瘦高青年。在他只有12歲時，讀了凡爾納寫的《從地球到月球》（From the Earth to the Moon）後，他就夢想有朝一日可以實現太空飛行。儘管其他教授對這些研究生製造火箭的想法嗤之以鼻，馮·卡門卻對此很感興趣，而且同意為馬利納提供資助。
從本質上看，這些實驗完全出自愛好。這些年輕人在晚上作出規劃，週末進行實驗，他們要在繁重的功課中擠出時間，還得外出打工，用賺到的錢購買廢舊零件。他們把自己的積蓄都湊在一起，為了尋找實驗用的二手設備，跑遍了整個洛杉磯。1936年秋天，這個由加州理工學院學生和當地火箭愛好者組成的小組在阿羅約·塞科河谷進行了第一次實驗。這是加州理工學院幾英里外的一個乾枯的河谷，緊鄰鬼門水壩（Devil』s Gate Dam），一直延伸到聖加布裡埃爾山脈的腳下。
這些工作不僅耗費體力，而且非常危險。1936年10月底，小組成員工作到凌晨3點，才將供實驗用的小型火箭發動機的各個零件安裝好。補了3個小時的覺之後，他們在天將破曉之際驅車前往阿羅約·塞科河谷，將閃閃發亮的模型火箭發動機底端朝向天空，架設在實驗台的彈簧上。隨後，他們將一根供給氧氣的管子和另一根供給液態甲醇推進燃料的管子與燃燒室連接起來。在試圖點燃氧氣和燃料的混合物之前，小組成員在火箭發動裝置周圍堆滿沙包，然後躲進挖好的地溝中。
點火之後，火焰會從發動機的鎳鋼噴嘴中噴出，推動發動機向下，衝擊彈簧。固定在發動機下方的一小粒金剛石在平行放置的推動力記錄儀的玻璃柱表面留下刻痕，從而可以據此計算出產生的推動力。在實驗過程中，經常發生一些激動人心的小事件，令小組成員多年之後仍津津樂道。比如，1936年10月的實驗中，氧氣管破裂並著起了火，讓他們落荒而逃（後來，小組成員很遺憾未能為當時的整個情景拍下照片）。此後，1937年1月，火箭發動機破紀錄地運行了44秒，令所有人都忍不住鼓掌歡呼。
馬利納和史密斯經常在史密斯的辦公室裡討論實驗結果，當他們這樣做的時候，史密斯注意到，錢學森非常用心地在一旁傾聽。「當他聽到我和馬利納的談話時，他很好奇。」史密斯說。有一天一起上課的時候，錢學森走向馬利納，就馬利納此前為一本雜誌撰寫的有關火箭的文章提出了許多問題。
在對太空旅行的可能性進行了熱烈的討論後，馬利納對錢學森說：「如果你對火箭感興趣，為什麼不加入我們的小組呢？」錢學森欣然同意。沒過多久，1937年5月22日，馬利納就給家中的父母寫信道：「一名對火箭的理論問題感興趣的中國研究生加入了我們的小組。我們現在有5個人了……帕森斯（Parsons）、史密斯、錢學森、阿諾德（Arnold），還有我自己。」
在整個20世紀30年代，很少有人認為火箭是一個值得投入力量研究的科學領域。他們有不這麼做的充分理由。技術還在萌芽狀態，只有3個不同國家的3名科學家彼此隔絕地獨立進行著相關研究。
這一領域的開先河者是蘇聯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）。這位雙耳失聰、性格內向的科學家在19世紀90年代第一個在發表的論文中提出火箭太空飛行的數學問題。不幸的是，在1921年之前，他的發現並未得到蘇聯科學院和世界上其他科學家的重視。
接下來是美國馬薩諸塞州克拉克大學的物理學教授羅伯特·高達德（Robert Goddard）。從少年時代開始，高達德就對太空飛行的概念深深著迷。從大學畢業後，他在筆記本上寫下了許多半個世紀後才逐漸成形的點子：分級火箭，以液態推進燃料和固態推進燃料作為動力的火箭，人類登陸月球。在他家中的實驗室裡，高達德設計了一系列使用固態推進劑的小型火箭發動機實驗，並於1918年在阿羅約·塞科河谷的小山上進行實驗。他的相關發現發表於1919年的經典論文《到達極限高度的一種方式》（A Method of Reaching Extreme Altitudes）中。在報道高達德的發現時，媒體採用了一種聳人聽聞的方式，使得關於「高達德正準備把自己發射到月球上」的謠言四處流傳。這一不快經歷使得高達德從此消失於公眾視線，此後一直過著離群索居的生活，對自己的研究嚴格保密。
第三位先驅是德國科學家、作家赫爾曼·奧伯特（Hermann Oberth）。1922年，28歲的奧伯特在海德堡攻讀博士學位時，在博士論文中就描述了一種使用液態推進劑、可以長距離飛行的火箭的設計方案，並用數學公式闡釋了為什麼火箭可以脫離地心引力。海德堡大學拒絕了他的論文。堅信自己正確的奧伯特將這篇論文以書籍形式出版，名為《飛向行星際空間的火箭》（Rakete zu den Planetenraumen）。這本書開始時少人問津，只有一位教授對它表示質疑，宣稱火箭在真空中不可能飛行，因為排出的氣體無從借力。
事情的轉折發生於1924年。慕尼黑的一名高產暢銷書作家馬克斯·瓦列爾（Max Valier）被奧伯特的書所吸引，開始花費大量精力推廣奧伯特的理念，在他論文的基礎上寫了許多本暢銷書和文章，而且在德國和奧地利進行巡迴演講。這樣做的結果，是奧伯特和瓦列爾的書都被搶購一空。在瓦列爾的幫助下，奧伯特的書成為火箭研究領域的一種時尚——主要倡導者由科幻小說迷和喜歡稀奇古怪事物的富家子弟構成。在德國，開始湧現大量與火箭相關的通俗作品或技術專著，不久，世界上第一本專門討論太空探索的學術雜誌和第一家學術社團也出現了。
然而，到1926年的時候，瓦列爾認為公眾的反響還不夠熱烈。失望的他想出了一個新點子，發起一場全國性的募捐運動，為推動火箭向太空船的逐漸轉型項目募集資金。他請藝術家將自己的技術夢想畫成激動人心的圖畫，但這卻導致了奧伯特與他的決裂——因為奧伯特認為，一些圖畫在技術上並不嚴謹。不管怎樣，這一募捐運動最終激起了歐寶（Opel）汽車公司的富有的繼承人弗裡茨·范·歐寶（Fritz Van Opel）的好奇心，而他是當時媒體爭相追逐的花花公子。沒過多久，1928年，弗裡茨·范·歐寶就開始在賽車場上駕駛火箭汽車，吸引了上萬名觀眾的眼球。
就在此時，對火箭的狂熱在歐洲到達頂峰。1929年，德國電影導演弗裡茨·朗（Fritz Lang）導演了一部長達3小時的史詩巨片《月亮上的女人》（Frau im Mond），講述了一個建造火箭並飛往月球的故事。這掀起了新的一輪火箭熱潮。此外，在瓦列爾與歐寶的通力合作下，一些新花樣也不斷出現：火箭雪橇，火箭賽車，火箭滑翔機，甚至還有火箭摩托車。然而，1930年，一間裝有液態推進劑的儲藏室發生爆炸，爆炸碎片刺入瓦列爾胸部，導致他當場身亡。他的死亡令德國輿論呼籲取締私人火箭研究，火箭熱也因此開始走入低潮。
直到1935年，火箭這門學科都未能在加州理工學院得到嚴肅對待。這一年，馮·卡門的另一名弟子威廉·柏雷（William Bollay）發表演說，介紹歐根·桑格（Eugen Sanger）在維也納進行的火箭發動機實驗，並討論以火箭作為動力的未來飛行器的發展可行性。此舉成為了錢學森後來加入的火箭小組的催化劑。弗蘭克·馬利納從柏雷的演講中獲得啟發，著手查閱與火箭技術相關的科學文獻，並向當時加州理工學院董事長羅伯特·密利根的兒子、身為航空學教授的克拉克·密利根（Clark Millikan）提議，由其指導自己完成一篇關於火箭飛行的博士論文。然而，克拉克·密利根的態度與當時整個學術界對火箭的態度一樣，認為這不過是好萊塢電影中的噱頭和尋求刺激者追逐的花樣，因此拒絕了馬利納的提議。他甚至建議馬利納退學，去飛機製造公司找份更有前途的工作。幸運的是，馮·卡門對馬利納的點子頗為欣賞，並同意做他的論文指導者。
與此同時，校園裡出現了另外兩名同樣對火箭技術興趣盎然的年輕人的身影。自學成才的化學家約翰·帕森斯（John Parsons）和熟練的機械技師愛德華·福曼（Edward Forman）雖然沒有正規的學術背景，但卻已經在帕薩迪納進行了好幾年關於小型黑色火藥火箭的實驗工作。當他們在《帕薩迪納郵報》（Pasadena Post）上讀到柏雷關於火箭飛機的文章之後，兩名年輕人大膽造訪加州理工學院，希望在這裡獲得所需的技術資源和支持，建造使用液態推進劑的火箭發動機。出於共同目標，馬利納同意與他們通力合作。在幾輪會面討論後，3名年輕人勾勒出了未來的發展方案：研發出理論上可以進入大氣層上層的火箭。他們希望，這種火箭可以在氣象學領域找到用武之地。
1936年初，馬利納、柏雷、帕森斯和福曼設定了兩項初始目標：解決火箭在反作用推進力和飛行表現方面的理論問題，以及建造一台小型火箭發動機用於實驗。加州理工學院的另一名學生A. M. O. 史密斯（A. M. O. Smith）於此時加入小組，他是美國國家青年領袖獎學金的獲得者，當時正擔任馮·卡門的助手。小組成員複雜的背景讓他們成為一個奇特的天才組合，其中既有馬利納、柏雷和史密斯所擅長的數學計算能力，也有帕森斯和福曼帶來的敢於冒險的動手實踐精神。當馬利納、柏雷和史密斯這3個人埋頭於火箭相關的數學計算時，帕森斯和福曼則用從垃圾堆和二手商店裡淘來的金屬部件，一點一點拼裝出了火箭箭身。與齊奧爾科夫斯基、高達德和奧伯特這3位在隱居中獨自進行研究的火箭先驅相比，加州理工學院的火箭小組卻用團隊合作的方式，將理論和實踐很好地結合在了一起。日後美國乃至全世界在太空技術發展過程中的系統分工模式，由此可見一斑。
如今已經成為一門重要學科的太空科學，背後有龐大的資金支持，然而，回到20世紀30年代，這門學科創始之初，加州理工學院的火箭小組最頭痛的問題卻是錢。當時，並沒有關於火箭研究的政府資助，小組成員不得不自籌經費。馬利納業餘時間在加州理工學院的風洞實驗室工作，每小時可以賺80美分。史密斯靠替技術行業報紙和教科書畫插圖賺一點兒外快。1936年6月，因為籌不出購買兩台儀器所需的120美元，馬利納幾乎要放棄火箭項目。小組成員一度希望當時加州理工學院的氣象學教授歐文·克裡克（Irving Krick）——他的另一重身份是商業電台的氣象播報員——能夠幫忙說服他的富人朋友慷慨解囊，資助火箭相關研究，但到頭來，這個指望不過是一場美夢而已。想錢想瘋了的馬利納和帕森斯甚至打起了好萊塢的主意，他們開始構思寫一部關於一群為外國獨裁者服務的邪惡火箭科學家的反戰主題的科幻小說，希望可以賣給製片廠當腳本。
1937年6月，一名加州理工學院氣象學系的研究生韋爾德·阿諾德（Weld Arnold）為火箭小組帶來了一筆意外之財。阿諾德某次聽過馬利納在校園裡的演講後，深受感動，於是承諾為火箭項目籌集1000美元。沒過幾天，他就出乎意料地帶來了第一筆錢——包在一張舊報紙裡的一沓面值1美元和5美元的鈔票，一共是100美元。幾十年後，史密斯回憶道，阿諾德從來都沒跟小組成員提過是從哪兒搞到的這筆錢，小組成員也從來都沒有就此追根究底。他記得，興高采烈的馬利納忍不住向此前否定了他的火箭研究項目的太空學教授克拉克·密利根炫耀手中的鈔票，「克拉克，咱們在加州理工學院成立個火箭研究項目基金，你看怎麼樣？」他驕傲地對密利根說。密利根瞠目結舌的樣子，讓馬利納開心了很長時間。這1000美元足以負擔製造火箭發動機的開支，馬利納終於不用再躲在帕森斯的廚房裡挖空心思地構思小說了——要知道，這廚房也被帕森斯用做倉庫，儲存氣味刺鼻、極易爆炸的劇毒液態化學原料四硝基甲烷。
伴隨著新的資金的注入，項目開始加快了腳步。恰在此時，錢學森也加入了進來。理所當然地，他成了小組裡的常駐數學家。1937年5月29日，錢學森完成了一份題目長得令人難忘的報告：《噴嘴發散角度變化對火箭發動機推進力的影響；理想的火箭發動機運轉週期；理想的效率及理想的推進力；使用離散法計算燃燒室溫度》（The Effect of Angle of Divergence of Nozzle on the Thrust of a Rocket Motor; Ideal Cycle of a Rocket Motor; Ideal Efficiency and Ideal Thrust; Calculation of Chamber Temperature with Disassociation）。這份報告給出了一台燃燒室和推進噴嘴容量固定的理想火箭發動機的計算公式。錢學森認為，火箭尾端噴出的火焰的半徑應當盡可能狹小，這樣才能在太空中提供強勁集中的推進力。如果火焰過大，很可能會導致火箭失控。錢學森的論文與火箭小組成員此前對火箭發動機、液態燃料、火箭飛機和火箭外殼的一系列分析和實驗報告一道收入一本被戲稱為「聖經」的論文集中，這構成了火箭小組研究的理論基礎。
1937年，加州理工學院正式承認了這個火箭小組的地位，將其納入加州理工學院火箭研究項目古根海姆航空實驗室。火箭小組做出的第一件事，便是從馮·卡門那裡獲得許可，使用古根海姆航空實驗室的研究設備進行此後的實驗。這樣，他們就再也不用拖著沉重的實驗設備在阿羅約河谷到處亂轉了。在接下來的一個月中，火箭隊成員把據點轉移到了實驗室的地下室中。利用樓梯間通向屋頂天花板的一線天，他們安裝了4根懸吊鋼絲，將一個正方形金屬籠掛在半空中。籠子上面，是一個垂直放置的8英吋長的小火箭。這個裝置的實際作用是充當一個50英尺長的鐘擺。火箭點火後它的擺幅可以幫助研究者計算火箭的推進力。
剛剛喬遷新居不久，災難就接踵而來。先是馬利納和史密斯不小心將一罐四氯化氮灑在了蓋茨化學樓前的草坪上，留下一大塊棕褐色的焦痕，讓園丁十分抓狂。（這個罐子是一戰時留下的，銹蝕得十分厲害，以至於馬利納和史密斯事發後無法將閥門關上。）隨後，在一次實驗中，四氯化氮和酒精的燃料組合未能成功燃燒，火箭不停地向外噴射紅色的泡沫和濃煙，使得實驗室中所有金屬表面都嚴重氧化，而且散發出難聞的氣味。「如果樓裡有老鼠，恐怕都會跑個精光。」馬利納說。腐蝕性的煙霧使得那些寶貴的實驗器材表面都蒙上了一層鮮紅的銹，儘管火箭隊成員發了瘋一樣試圖用沾了油的軟布擦去銹跡，但許多設備都已毀於一旦。
「這件事相當可怕，」馬利納當時的室友馬丁·薩默菲爾德回憶道，「當時情形非常嚴重。他們有可能被開除，整個研究項目可能會被徹底解散。在那個時候，這個研究項目本來就經費短缺，有什麼理由一定要將其保留呢？然而，一定是馮·卡門說服了加州理工學院的校方，說這是一件非常有價值的、值得去做的事，即使校方可能因為洩漏事件而蒙受經濟損失。」
但是，火箭小組卻被永久性地踢出了實驗室。「出去！」當學生們磨磨蹭蹭地向外搬運設備時，馮·卡門對他們大吼。所有的設備被撂在古根海姆實驗室東邊的一個混凝土裝載平台上，任憑風吹雨打，那個「鐘擺」則掛在幾根突出的房樑上。偶爾一陣大風刮來，氧氣罐、燃料罐和儀表盤被吹得晃晃悠悠，小組成員只有等待風停之後才能繼續工作。
在這一年接下來的時間中，這個室外平台就成了火箭小組的實驗室。實驗的響動聲震整個校園。「我記得一次望向窗外，正看見那幫男孩在坡道上引爆些什麼。」一位加州理工學院教授回憶道。沒多久，其他學生就開始以「敢死隊」稱呼這個火箭小組。
1937年底，這個團隊經受著相當大的壓力。他們必須要整理出一篇理論性的論文，由馬利納在次年1月召開於紐約的第六屆航空科學研究院（IAS）年會上報告。克拉克·密利根可能是壓力的來源。他是1938年IAS的大會主席。這篇題為「探空火箭飛行分析」的論文由史密斯和馬利納執筆，分析了簡單的模型火箭的數學原理。在論文中，他們將火箭定義為一個垂直飛行穿越真空的無翼飛行器。在4頁的篇幅中，兩人還給出了理想火箭運動的一些基本方程式。1938年1月20日，馮·卡門給了馬利納一個驚喜：他拿出200美元，用以支付馬利納往返紐約的旅行費用。第二天，馬利納就登上了開往東海岸的列車。一路上，他都在用心琢磨講稿，準備在1月26日的空氣動力學分組討論會上一鳴驚人。
這篇論文在紐約大獲成功。它是IAS會議上第一篇關於火箭學的研究報告，不僅為加州理工學院的火箭小組贏得了來自航空界的注目，還讓它在全美國範圍內聲名大噪。美聯社和《時代》週刊都對其進行了報道，並且披露了他們要將火箭送入遠比探空熱氣球更遠的太空中去的宏偉計劃。美聯社援引馬利納的話說：「分析結果證明，如果可以建成一個高效的火箭發動機，（人類）可以抵達其他任何已知方式都無法企及的高度。」很快，「科學家準備向967英里以外的太空發射火箭」的新聞標題便開始出現在全美各地報紙之上。
當馬利納回到校園，他發現，火箭小組對這種從天而降的聲名既興奮又不安。全加州的報紙都以頭版報道了他們的IAS論文，其中還包括《洛杉磯時報》（Los Angeles Times）的一篇社論。當再次審閱會議論文時，錢學森和馬利納一度以為他們找到了一處錯誤，頓時驚慌失措。過了好一段時間，他們才冷靜下來，說服自己其實是正確的。「不用說，某一些時刻是相當令人憂心忡忡的。」馬利納寫道。
小組成員很快就習慣了作為校園裡的「火箭名人」的新角色。看起來，即使是錢學森，也無法抵禦成為關注焦點的誘惑。1938年2月3日，加州理工學院的一份校報在頭版刊登了一篇對火箭小組的深度報道，其中便包含了相當數量的對尚未發表的研究結果的詳細描述，而這大違馬利納的本意。
火箭已經從幻想成為現實。在接下來的3個月裡，加州理工學院航空系研究生弗蘭克·馬利納、A. M. O. 史密斯和錢學森將獲得關於火箭引擎的更多可靠信息，這比此前全世界歷次嘗試中所獲得的信息還要豐富。
這篇文章寫道，在加州理工學院的一個車間裡，正在製造第二個火箭引擎。與吊在古根海姆大樓房頂上的那個引擎不同，這一台擁有鋼製外殼，銅噴嘴，燃燒室內部有一層石墨保護層，以免燃燒室在高熱下變形。（石墨的熔點高達3500多攝氏度）根據這篇文章所說，火箭小組的計劃是將碳氫燃料混合物注入燃燒室的一段，而在另一端注入氧氣，此後用電火花點燃混合物。小組成員希望，給排氣噴嘴和燃燒室內部鍍上石墨後，就能夠設計出一種無論是在地球大氣層中還是大氣層外的飛行中——比如飛向火星——都能耐得住燃燒高溫的燃燒室。
這篇文章中包含了一些錢學森關於未來實驗的憧憬：
這項實驗的一個目的是瞭解距地表600～900英里的高空中的某些特性。計劃中的火箭將分為三個獨立部分。在從空氣密度較高的低層大氣向上上升的過程中，將消耗大量能量。如有可能，最好在高山上進行發射。一旦飛過低層大氣，火箭就會拋棄已經無用的第一級，使用較少的燃料便能繼續上升。最後，在一個預定的時間，第二級火箭也會被甩掉，火箭將在更高的空間實現滑行。
「當聽說一向沉默寡言的錢學森居然捅出了那麼多秘密時，我們全都大吃一驚。好在這些都不是什麼了不起的秘密。」馬利納在寫給父母的信中提到。
接下來的幾個月，錢學森和馬利納密切合作。如果他們沒有對著火箭敲敲打打，那就一定是在解決火箭飛行的理論計算問題。他們一頭扎進工作中去，經常忘了吃午飯。到1938年4月，馬利納和錢學森已經完成了一篇關於火箭飛行的論文，並提交給克拉克·密利根審查。火箭小組還對火箭進行了注水試驗，查看各個管道是否存在洩漏。
到這年春末夏初之時，火箭小組的努力開始得到回報。5月份，火箭小組取得了迄今為止最好的實驗結果。火箭引擎運行了整整1分鐘，發出巨大的聲響，迅速引來一大群加州理工學院師生的圍觀。一名美聯社記者開始對馬利納進行跟蹤採訪，並最終寫出了一篇出現在全美國各大報紙上的深度報道。很快，錢學森、馬利納、帕森斯和福曼開始為全美國的科學記者提供信息，成為《大眾機械師》（Popular Mechanics）等美國雜誌和洛杉磯當地報紙上的常客。
外界的反應直接而熱烈：一份出版物刊登了一幅橫跨5欄的素描，上面畫著一艘從洛杉磯地標市政中心大樓騰空而起的載人火箭飛船，而好萊塢電台則對外播放火箭引擎的聲音。一位來自紐約的特技演員甚至自願申請在鄉村博覽會上用火箭將他射入1000英尺的高空，然後打開降落傘著陸。對於這些，馬利納的評價是：「全是炒作。新聞記者的想像力甚至比我們還豐富。」
儘管來自外界的注意力讓火箭小組的成員感覺很不錯，但他們擔心，太過招搖也會帶來負面作用。馬利納清醒地認識到，20世紀20年代，羅伯特·高達德幾乎就是毀在了媒體的炒作中。在那幾年中，哪怕只是被人稱做科學怪人，高達德就已經覺得這是一種很客氣很溫和的說法了。西奧多·馮·卡門要求學生們保持低調，專注於自己的研究。
在1938年年中到年底的那段時間，錢學森開始在空氣動力學和火箭學上有所收穫。5月份，他與馮·卡門合作的第一篇論文「壓縮流體中的邊界流層」發表。這是一項關於高速移動物體——如火箭和導彈——表面邊界流層的作用模式的研究。錢學森和馮·卡門估算出了火箭的波阻和摩擦力的比值，並計算出阻力和熱傳導之間的數學關係。此後，10月份，錢學森的另一篇論文《傾斜旋轉體上方的超音速流》（Supersonic Flow Over an Inclined Body of Revolution）發表在《航空科學雜誌》（Journal of the Aeronautucal Soiences）上。在這篇論文中，錢學森討論了以超音速飛行的尖頭拋射體的抬升過程，並發現，在以固定速度飛行時，這種升力與拋射體的攻角成正比。最後，在12月，錢學森和馬利納合作的論文《探空火箭的飛行分析》（Flight Analysis of a Sounding Rocket with Special Reference to Propulsion by Successive Impulses）發表在同一本學術雜誌上。在這裡，錢學森和馬利納提出一個可以重新裝載的使用固態燃料黑色火藥的火箭引擎設想，它可以通過一系列的爆炸為火箭提供推進力，而不是像液體燃料那樣持續燃燒。從理論上講，這種引擎可以將火箭送到比當時探空氣球所能達到的更高的太空。
12月份的時候，錢學森開始將精力集中在完成學位論文上。儘管他也會抽出一些時間幫助馬利納進行其他的科學探索。例如，當馬利納著手寫一篇打算在巴黎的一次科學競賽中提交的論文時，錢學森無私地給他幫了不少忙。這篇論文後來贏得了「REP—赫希」（REP-Hirsch）獎金獎。正如馬利納在給父母的信中所提到的：
錢學森真應該署名其上，因為許多觀點都是在他的幫助下想出來的。他實在是個好人。我希望我可以像他那麼有恆心。在過去的10天裡，為了解決一個難題，他夜以繼日地工作，後來卻發現對這個數學問題的解答並不令人滿意。他離開辦公室，然後又跑回來，說他要把這個問題重做一遍。他這個人將來必能成大器。
錢學森和來自得克薩斯的馬利納身上有許多共同點。兩個人都從一出生起便被父母百般寵愛。他們都非常熱愛藝術和古典音樂。此外，按照兩人在加州理工學院共同的熟人的說法，他們個性中都有桀驁不馴的一面，深信自己的智力水平高人一等。弗蘭克·馬利納的偶像是達·芬奇，並以「文藝復興人」自居。他的前妻回憶道，馬利納認為自己「精通藝術，精通文學，精通科學，而且可以兼容並蓄，各擅勝場」。而矜持沉靜、自命不凡的錢學森則很快在校園裡被人奉送上「天子」（the Son of Heaven）的外號。
當然，在加州理工學院，傲慢並不是什麼新鮮事。正如威廉·西爾斯在他的自傳中描述的那樣，「加州理工學院的那幫傢伙全都盛氣凌人，深信他們學院就是世界上最偉大最優秀的大學，而作為這所學校的畢業生，他們也都是最聰明的學生」。
儘管錢學森為他的智力和與馮·卡門的密切關係而自豪，但他卻對任何攻擊中國的言論和行為都極其敏感。這種敏感是有充分理由的。有一次，在電影院裡，一名觀眾要求領座員不要把錢學森安排在他旁邊，因為他不願意挨著一個亞洲人坐。還有一次，一些美國學生嘲笑中國是一個又窮又愚昧的國家。據說，錢學森對他們說：「對於中國的貧窮我無能為力，但讓我們來較量較量。我代表中國，你代表美國，到學期結束的時候，看看誰的成績最好。」錢學森最終贏得了這場比賽，令許多中國學生都揚眉吐氣。許多人幾年後承認，如果換做他們自己，絕對不敢提出這種挑戰。不過，錢學森對自己的同胞卻表現得相當嚴厲。這使得他在中國留學生的圈子裡並不討人喜歡。「他非常頑固，非常個人主義，總是批評別人，」錢學森的室友袁紹文回憶道，「他總是覺得自己是對的，而他的確經常如此。不過這卻給他樹了不少敵人。」
看上去，錢學森既沒時間也沒興趣顧及其他人對自己的感受。他更願意把空閒時間花在與少數幾個他信任和尊敬的好友身上。1938年，在同齡人中，錢學森與馬利納走得最近，後者廣博的求知慾與錢學森正好合拍。
錢學森與馬利納相處的時間變得越來越多。當錢學森通過博士論文答辯時，火箭小組在馬利納的攛掇下為錢學森召開了一次驚喜晚會。馬利納有一輛深灰色的雪佛蘭老爺車，一到週末，他和錢學森就會開車到洛杉磯去。有時候，來自捷克斯洛伐克的航空系研究生安德魯·費耶爾也會加入他們的行列，而他也成為錢學森的密友之一。在還沒有高速公路的那些日子裡，車子只能沿著帕薩迪納和格蘭戴爾的山腳小路緩緩前行，直至抵達好萊塢。
音樂似乎一直是遠足的絕對主題。他們經常前往洛杉磯愛樂音樂廳，聆聽奧托·克倫佩勒（Otto Klemperer）指揮的洛杉磯交響樂團的演出。他們還經常在唱片店裡消磨整整一個下午，搜尋經典錄音，像俄羅斯作曲家斯特拉文斯基（Igor Stravinsky）、肖斯塔科維奇（Dmitri Shostakovich）和普羅科菲耶夫（Serge Prokofiev）的作品，常常一買就是幾十張。錢學森尤為喜歡巴赫的室內樂及貝多芬的交響樂。在這之後，錢學森有時會造訪馬利納或費耶爾的家，在那裡聽上一整晚音樂，一句話都不說。他對古典音樂的熱愛幾乎成為一種信仰。費耶爾說：「就算哪天看到他在家裡打印樂譜，我們也不會感到奇怪。」
數十年後，當費耶爾夫婦被問及對錢學森的印象時，他們給出的形象，是一個衣著整潔、頭髮梳理得一絲不苟的年輕人，手指纖長，指甲修理得整整齊齊，「非常優雅」。出於對藝術的敏感，錢學森經常造訪博物館，欣賞印象派和現代藝術作品，並察覺到藝術、音樂和科學之間的內在聯繫。費耶爾回憶道：「他發現，一個數學問題的解答如果用實體形式呈現出來的話，常常是非常美麗的。」
然而，錢學森對於那些他認為智力上不如他的人卻甚少同情心。費耶爾說：「他用大談特談別人不懂的高深理論的辦法嚇跑了好多人。基本上，錢學森只以智力取人。他對和那些智力低下的人打交道毫無興趣。」
1938年，馬利納介紹錢學森加入了一個加州理工學院的知識分子討論小組。小組成員們經常在晚上聚到一些已經成家的年長科學家家中，討論音樂和政治話題。有時候，召集地點選在曾受過專業音樂訓練的加州理工學院生物學家雅各布·杜布諾夫（Jacob Dubnoff）的家中。那是一棟二層小白樓。但大多數時間，人們會去在化學系擔任助教的西德尼·威因鮑姆（Sidney Weinbaum）家。
威因鮑姆長著一張會讓人聯想起鷹的瘦臉，彎腰駝背，好像是因為伏案讀書過久所致。經常穿著一身藍色嗶嘰西服的他看起來缺乏鍛煉而且健康狀況不佳，甚至顯得有些陰鬱。但在錢學森的眼中，威因鮑姆卻是一個典型的多才多藝的「文藝復興人」。這位生於烏克蘭的猶太科學家此時已年逾不惑，俄國十月革命後，他逃離祖國，於1922年來到洛杉磯。他是一個非常優秀的鋼琴演奏家，而且下得一手好國際象棋。靠教習音樂獲得的收入，威因鮑姆在加州理工學院完成了大學學業。此外，20世紀20年代，他還曾經兩度贏得洛杉磯地區的國際象棋比賽冠軍。1933年從加州理工學院獲取物理博士學位後，威因鮑姆開始擔任化學家萊納斯·鮑林的技術助理。他的博學多才令錢學森深深折服。
每隔幾個星期，在晚飯後大約8點左右，客人們就陸續來到威因鮑姆位於斯特本街上的灰色小屋中。客廳裡常常擠滿二三十個加州理工學院的學生。錢學森來的時候，總是一身西裝，打著領帶，皮鞋擦得珵亮。他通常和馬利納一道來。後者是個瘦高個兒，留著精心梳理的小鬍子，同樣衣飾整潔。他們與周圍那一群不太講究衣著的波希米亞風格的學生們形成鮮明對比。著名物理學家羅伯特·奧本海默的弟弟弗蘭克·奧本海默（Frank Oppenheimer）的衣著頗能反應這群人的特徵。身材高大、笨手笨腳的他衣服袖口總是磨得破破爛爛，襯衫前面煙灰印子斑斑點點，手指頭上也經常沾著來自實驗室裡的污跡。
將這群加州理工學院的知識分子聚在一起的是他們對動盪國際局勢的共同擔心：大蕭條與納粹和法西斯主義在德國、意大利和西班牙的興起。在目睹了席捲美國的失業與飢餓後，許多學生懷疑，卡爾·馬克思關於資本主義制度注定將帶來全球動亂的預言是否很快就將實現。因此，他們將蘇聯的社會主義興起視為以一個激動人心的實驗。在德國佔領奧地利，撕毀《慕尼黑協定》入侵捷克，扶持弗朗哥在西班牙建立法西斯政府之後，這些和平主義者們提高了警惕。
錢學森發現，這個小組對中國的處境非常同情。1937年7月，日本軍隊和中國軍隊在北京附近的盧溝橋交火，這一衝突迅速升級為全面的侵華戰爭。對於錢學森來說，這場戰爭對他的影響不僅是情緒上的，而且是經濟上的。發給身在美國的庚子賠款獎學金獲得者的津貼從每個月100美元削減到了50美元。然後，1937年12月，日本軍隊攻陷南京，大肆姦殺擄掠，製造了世界歷史上最慘無人道的南京大屠殺。在幾周時間裡，被日本軍隊殺害的南京人在20萬到30萬之間。日軍的暴行被全世界的媒體所報道，錢學森密切關注著報紙上的事件進展。在威因鮑姆家中的聚會上，學生們分享著錢學森的憤怒與絕望，這對他來說不啻為一種安慰。
在威因鮑姆家中舉行的討論通常遵循特定程序。它比黨派的集會嚴肅一些，但又比大學裡的課堂研討會輕鬆一些。客廳的咖啡桌上擺著一堆出版物，許多是俄文的。每兩到三周，一些參加者會準備一些當眾朗讀的讀書報告。這些書包括馬克思、約翰·斯特雷奇（John Strachey）、斯大林和列寧的著作。此後是一個活躍的提問和回答環節。聽眾們會就書中的理論和觀點進行辯論。
會議通常以音樂和茶點結束。20世紀30年代，好萊塢音樂家雲集，許多人就職於默片時代劇院的伴奏樂隊中。有些人白天在錄音棚裡錄製戴維·拉斯金（David Raskin）等作曲家的名作，到了晚上，則在威因鮑姆家中演奏古典音樂作為放鬆。當專業的音樂家缺席時，加州理工學院的科學家們成立了自己的業餘絃樂團。作為高中樂團教練的兒子，馬利納與威因鮑姆一道演奏鋼琴。弗蘭克·奧本海默則負責吹奏短笛。他的技巧相當嫻熟，甚至達到專業水平。錢學森學會了如何演奏中音豎笛，有時候，他會坐在角落為大家吹奏一曲。
向來孤僻的錢學森依然不為大家所注意。有時候，他一言不發地坐在那裡，全身心地投入到與威因鮑姆對弈的棋局中去。他寧願多聽少說，在論戰爆發甚至持續通宵時只是坐在一旁靜靜地聽著。正如馬利納所回憶的，這些晚上通常都以激烈的大辯論結束：
我們常聚在一起聽音樂，有時也展開辯論。我們總是在晚上聚在一起，有時正討論著火箭問題，話鋒一轉，便又回到了西班牙局勢上。我們是一個獨特的、關係緊密的小組，彼此擁有許多共同的興趣點，而這將我們湊在了一起。討論話題經常在音樂、火箭、政治問題和社會組織等問題上變來變去。
與錢學森不同，馬利納在這些討論中非常健談。他喜歡棋逢對手的辯論簡直勝過一切。身為一個堅定的自由分子和理想主義者，馬利納相信世界和平是有可能的。他說話無所顧忌，經常說出一些可能觸怒相對較為保守的朋友的話。其中之一便是A. M. O. 史密斯，在威因鮑姆家中進行的一些討論常令他瞠目結舌。史密斯回憶道：「馬利納事實上將這個國家的所有問題都歸結於它的政治制度。我對此不敢苟同。他太偏激了。」
1939年臨近時，火箭研究項目陷入低迷。錢學森將他的主要精力都花在完成博士論文上，其中也包括了他此前與馬利納和馮·卡門合著的部分論文內容。現在，他正努力解決某些壓縮流體方面的重要問題。馬利納大部分時間都在風洞中進行關於防止水土流失的防護林帶的測試。在與18歲的莉莉婭·達科特（Liljan Darcourt）訂婚後，馬利納正在努力讓自己成為一個居家好男人。兩名成員離開了火箭小組：韋爾德·阿諾德去了紐約，史密斯到一家飛機製造公司擔任工程師。沒有耐心看到結果的帕森斯和福曼自行發射了幾枚黑火藥火箭，然後因為缺乏經費而跑去替哈利法克斯（Halifax）火藥公司工作。支持火箭研究啟動的那1000美元很快就花光了。
敢死隊的成員常常處在變動中，因此很難界定。許多人進進出出，有人因為找到其他工作而永遠離開，有人則在其他地方短暫工作一陣後又歸來。一些獲得美國國家青年領袖獎學金的年輕人曾幫助馬利納進行某些火箭試驗，但他卻並不認為這些人屬於火箭小組。奇怪的是，馬利納的前室友馬丁·薩默菲爾德雖然參與了許多敢死隊的活動，並與馬利納和錢學森一道解決了不少理論問題，他卻也不是敢死隊的正式成員。我們很難確切地知道敢死隊成員每日的交流與互動：馬利納、帕森斯和福曼都已去世，身在中國的錢學森拒絕討論這一問題，仍然在世而且健康狀況良好的史密斯於1938年便離開了火箭小組。敢死隊內部似乎存在著不為人所知的派系敵對和政治鬥爭。據福曼的遺孀說，帕森斯和福曼認為馬利納對他們非常冷酷傲慢，馬利納則在回憶錄中寫道，他覺得這些人作為研究者來說並不可靠。「帕森斯和福曼經常失蹤幾個星期甚至是幾個月，有時候只有我苦苦維持著火箭項目的存在。有一段時間，錢學森和我可能是火箭小組中碩果僅存的兩個成員了。」小組成員中的裂痕似乎反而拉近了馬利納和錢學森的關係。
兩年前，身為加州理工學院學生的韋爾德·阿諾德以其慷慨之舉拯救了火箭小組，這一回，輪到了另外一個名叫阿諾德的救星現身——美國陸軍航空部的亨利·阿諾德（General Henry Arnold）將軍。1938年春天，阿諾德將軍對加州理工學院進行了一次意外訪問。親眼目睹的火箭研究讓阿諾德將軍深深著迷，他開始考慮將火箭應用於國防的可能性。此時，歐洲的緊張局勢正愈演愈烈，在慕尼黑簽署的《慕尼黑協定》將捷克斯洛伐克的德語區割讓給了德意志第三帝國。這年秋天，阿諾德將軍邀請馮·卡門和密利根前往華盛頓特區，參加國家科學院陸軍航空部研究委員會的小組會議。會上，加州理工學院有機會從5個航空部的計劃中選擇一個執行，其中之一便是關於使用火箭輔助重型轟炸機起飛的研究。麻省理工學院的航空系主任傑羅姆·亨塞克挑選了飛機擋風玻璃除冰裝置的研發項目，而把火箭項目拱手讓出。他說：「還是馮·卡門比較擅長巴克·羅傑斯（Buck Rogers，當時大眾科幻雜誌中流行的虛擬漫畫人物，一位沉睡了492年的太空探險家）那一套。」
加州理工學院積極接受了這個火箭推進項目。當馮·卡門返回加州理工學院時，他請馬利納撰寫一份呈交給國家科學院（NAS）的報告。12月，馬利納前往華盛頓，在國家科學院委員會面前陳述現狀：依據當時的技術水平，火箭缺乏輔助飛機飛行所需的足夠的推進力。他提議進行一項關於固態和液態火箭燃料及耐燃燒高熱發動機的研究。作為對此次報告的回應，1939年1月，國家科學院撥給加州理工學院1000美元進行初步調查並準備一份更詳盡的基金申請報告。
馬利納對這筆經費的心情很複雜。他夢想為和平的科學探索建造火箭，卻厭惡將它們用做戰爭工具。「當我被迫研製更好的武器時，我的熱情一下子煙消雲散。」他這樣寫道。然而，與此同時，馬利納也擔心法西斯主義的蔓延和歐洲民主國家的困境。沒過多久，火箭小組——現在只有錢學森、馬利納、帕森斯和福曼4個人了——加班加點地工作得到了回應。為德國入侵捷克所震撼，並聽聞納粹正在上馬火箭項目的謠言，美國軍方要求在6月份之前看到第一份報告。
然而，就在大家忙得不可開交的3月份，一次幾乎致命的事故發生了。不知為何，丙烷洩漏到了氧氣罐中，導致火箭主體爆炸。一塊金屬碎片在牆上撞出了一個洞，它的飛行軌跡距離馬利納平時坐著的椅子只有幾英尺高，如果不是當時馬利納因為一些瑣事而離開了實驗室，他恐怕已經沒命了。在這起事故後，加州理工學院禁止在校園裡進行任何火箭實驗。校長羅伯特·密利根幾乎裁撤了整個項目，但馮·卡門卻說服他，讓這群年輕人繼續在古根海姆大樓的地下室裡解決理論問題。他們修復了火箭箭身，將它搬到人跡罕至的阿羅約·塞科河谷。在那裡，火箭小組的人沿著峽谷建造了非常簡陋的實驗台。
當年6月，火箭小組終於等來了期盼已久的答覆。馬利納提交給國家科學院的報告為他們贏得了1939～1940財政年度的1萬美元撥款，用於建造實驗基地，購買解決火箭燃料問題所需的原料。這些錢還用來額外支付研究助手的工資。馮·卡門主修航空學的學生霍默·斯圖爾特和馬利納的朋友和前室友、主修物理的馬丁·薩默菲爾德均在此時以此種方式加入。研究的目標是製造出可以讓飛機「有超常表現」的固體和液體火箭燃料。
這是火箭小組的一個激動人心的時刻——尤其是對錢學森來說。1939年6月9日，他剛剛畢業。在一個晴朗、溫暖的日子裡，錢學森身著長袍，頭戴博士帽，等待接受博士學位——這一年，共有32人拿到了博士學位。畢業典禮在戶外舉行，地點靠近校辦公樓。在過去的一年中，隨著克裡林實驗室和克爾克霍夫生物東樓等新建築陸續建成，加州理工學院的校園迅速擴張，從而標誌著大蕭條的就此結束。與拿到物理學博士學位的弗蘭克·奧本海默一道，錢學森在樂隊的伴奏下列隊走過校園。
在畢業致辭交替進行時，錢學森很難不回憶起在加州理工學院的短短3年時光裡他所經歷的種種變化。不過4年以前，他剛剛完成對中國國防飛行基礎設施的考察。現在，他的祖國正與日本開戰。以前，他只從教科書上和學術論文中見過馮·卡門的名字，現在，他已經是馮·卡門的愛徒——或許是最好的一個。前幾年，他和馬利納還在費盡心機地用垃圾場裡撿來的零件組裝火箭，120美元的資金缺口差一點就讓他們的努力煙消雲散。現在，資金像潮水一樣湧向他們，大權在握的將軍為他們的研究大開綠燈。
1939年，錢學森在《航空科學雜誌》上發表了一篇題為「二維空間下壓縮液體的亞音速流動」（Two-Dimensional Subsonic Flow of Compressible Fluids）的文章。這篇注定將成為經典的論文代表了錢學森在加州理工學院所做的最重要的科學工作之一。在這篇論文中，提出了著名的「卡門—錢壓力校正公式」（Karman-Tsien pressure correction formula）——一個在未來數十年中設計高速飛行器的工程師們不可或缺的公式。據如今已作為業界著名工程師而退休的史密斯說：「在現代計算機出現前，幾乎無人不用卡門—錢公式。」
到1939年時，飛機製造遇到了一個危險的新現象：壓縮效應。當飛機的構造變得越來越複雜，速度越來越快時，飛行員們開始體會到空氣中的猛烈震動。這種被稱為抖振（Buffeting）和振顫（Flutter）的現象有時會令飛機突然失去升力，從半空中急墜。1941年，在試飛洛克希德公司製造的一架飛機時，一名飛行員因為飛機失控而喪生。與此同時，還有說法稱「寇蒂斯SB2C地獄俯衝者」（Curtis SB2C Hellper）轟炸機的振顫現象極其嚴重，甚至發生過尾翼斷裂的情況。這是因為，作為壓縮氣體的空氣，其氣體分子間距縮短，所佔空間減小。當以低速飛行時，它們所起的作用微乎其微，但當飛機接近音速時，空氣便會在機翼上層表面聚集，形成氣泡。逐漸累積的壓力導致飛機失速墜落。問題清清楚楚地擺在面前：飛機工程師需要借助更精確的公式完成設計，將高速飛行時可能發生的這種現象計算在內。
在高速電子計算機出現之前的時代，工程師們設計飛機的慣常程序是作出一系列物理猜測，然後根據實際狀況得出一個數學模型。在工程師們計算亞音速或超音速飛行時機翼所承受的壓力時，卡門—錢壓力校正公式可以幫助他們校正因為簡化而導致的誤差。相對於此前空氣動力學家所提出的理論，這是一個巨大的進步。在卡門—錢公式問世前，舊有公式只能計算出相當於音速一半時氣流的擾動近似值。這些老一代的、不那麼準確的公式的代表之一是普朗特—格勞特公式（Prandtl-Glauert formula），它是馮·卡門的老師普朗特的突出貢獻之一。
威廉·西爾斯回憶起在馮·卡門家中看到錢學森和馮·卡門一道研究這一理論時的情形：
他們在數學細節上有一些小的分歧。分頭給出分析結果時，兩人的答案居然有不小的差異。我很想知道教授和他聰明的學生到底誰對誰錯，於是就豎起耳朵細聽。他們回到開始重新計算，逐行比較計算過程。他們居然都是對的！在構建這樣的一個近似理論時，他們在某個特定步驟採取了不同的方法，這樣得到的結果在近似值許可的範圍內被認為是等同的。
1939年秋，已經成為航空系助教的錢學森繼續與馮·卡門一道從事空氣動力學領域的工作，並和馬利納共同尋找固體燃料問題的解決方案。
他們的目標之一是建造一個足夠強大的、能夠在起飛時為飛機提供推動力的火箭發動機。這意味著要在10～30秒的時間裡提供1000磅以上的推動力。錢學森和馬利納可以在液體推進劑或固體推進劑中選擇其一著手研究。液體推進劑燃料可以與氣態或液態的氧一道流入燃燒室，而固態推進劑燃料的化學配比中卻自帶氧化劑。兩種推進劑都有相當大的問題。能夠在一定時間內提供推力的液體燃料火箭容易設計，但卻很難控制。固體燃料容易控制，符合軍事應用需要，但當時沒有一台使用固體推進劑的引擎燃燒時間可以超過3秒鐘。大多數專家認為，持續時間較長的固體燃料引擎根本就不可能存在：燃燒室內部逐漸積累的壓力會將整個火箭炸成碎片。通過一次又一次的實驗，帕森斯和福曼彷彿只是驗證了這些專家的正確性。他們設計了無數黑火藥的配比方案，並據此改進發動機，但最終的結果不是馬上爆炸就是根本無法點燃。
所有這些都令關於火箭研究是否有價值的懷疑論調甚囂塵上。「火箭」這個詞本身就容易讓人聯想起那些愛好者們的業餘活動和科幻雜誌裡的誇張敘述，加州理工學院因此決定，使用更晦澀的「噴氣推進」一詞代替。不過幾個月前，加州理工學院的物理學教授弗裡茨·茨維奇（Fritz Zwicky）還把馬利納稱為「該死的笨蛋」，他咆哮著說道：「難道你就不知道，火箭必須依靠推動空氣才能得到推進力嗎？」在軍方，也有高層懷疑國家科學院的錢是否花到了正地方。當阿諾德將軍的副官本傑明·奇德勞（Benjamin Chidlaw）1939年訪問加州理工學院時，他問馮·卡門：「你真的認為空軍應當把成千上萬的美元花在這個什麼火箭上嗎？」
沒有被這些懷疑所嚇倒，火箭小組繼續研究固體燃料引擎的問題。一些晚上，錢學森甚至在馬利納家中工作。馬利納現在和他的妻子住在科德瓦大街1288號的一棟小房子中，這裡離校園很近。這是一棟一層樓的白色小木屋，外牆為爬山虎所覆蓋。院子裡種著大叢粉玫瑰，香氣襲人。晚飯後，錢學森和馬丁·薩默菲爾德帶著筆記本、鉛筆和計算尺前來。他們和馬利納一頭鑽進他的「辦公室」——改造過的門廳，裡面有一部黑色電話、一張桌子、幾個木馬和幾張破爛不堪的椅子。沒過多久，桌子上就堆滿了寫滿方程式的紙張。當深夜溫度漸低時，他們會打開電暖器，繼續工作。馬利納的前妻莉莉婭回憶道：「你可以聽見他們的談話聲。他們總是聚在一起比較彼此的筆記，爭論『這個一定是錯的，它不可能對』，而馬利納就尖聲喊道：『才不是！才不是！』然後，他們便會突然都笑起來。聽上去他們挺開心的。」
在另外的一些晚上，錢學森會在古根海姆大樓三層的辦公室裡工作到很晚。一位當時在加州理工學院就讀的研究生回憶道：
一天清晨——那天是假期，不是感恩節就是聖誕節——我去辦公室加班趕功課，整棟大樓裡只有我一個人。於是我就把錄音機的聲音開得非常大。我清楚地記得，那時放的曲目是《時光之舞》（Dance of the Hours），裡面有一段節奏非常強勁。在這段音樂進行到一半時，我聽見巨大的敲牆聲。原來我打攪到了錢學森。我這才知道，中國學生比猶太學生更刻苦用功。這之後，錢學森送給我幾份他關於亞音速下壓縮校正公式的最新論文，作為在我欣賞音樂時向我大吼大叫的道歉。
到1940年之時，火箭小組已經基本解決了火箭燃料問題。那年夏天，馮·卡門完成了4個描述理想條件下使用限制燃燒的固體推進劑的發動機的公式。而馬利納則證明，如果噴氣管喉部的面積與推進劑的燃燒面積比是一個常量的話，這樣的發動機在理論上便是可行的。
在大多數美國人眼中，1940年的美國雖然沒有宣佈參戰，但已捲入了歐洲的戰爭。在希特勒空襲倫敦之時，美國政府由國防部出面，向英國提供了大量武器、飛機和彈藥，並對日本實行飛行燃料、鋼鐵和廢金屬禁運。軍費如流水一般滔滔不絕地花出去。羅斯福總統號召每年製造5萬架戰鬥機。議會投票通過了170億美元的防務費，比前一年增加了19億美元。毫不意外地，國家科學院也增加了對加州理工學院的撥款，在1941財政年度撥給火箭小組22000美元。
對於錢學森來說，1940年也意義非凡。這一年，他收到了一封來自王助上校的信，要求他回國效力，盡一個庚子賠款獎學金獲得者的責任。按規定，錢學森在美國的最長停留時間本來只有3年，但他卻已經在這裡待了5年之久。他已經從加州理工學院畢業，他的學生簽證也即將到期。一位接受美式教育、畢業於加州理工學院的空氣動力學家如能回國效力，他的所學將可以立即幫助一個正在經受日本空襲和轟炸的國家。
當錢學森3年前離開中國時，他的計劃一定是在學業完成後就返回祖國。然而，很清楚的是，一些情況改變了，尤其是在他回到加州理工學院之後。
錢學森比誰都清楚，回國不只是意味著要放棄一個在備受支持的環境下與一流人才共同解決最前沿問題的機會，一旦他返回中國，他在科學領域繼續有所突破的日子就結束了。中國需要科學家們用他們的才智幫助保衛祖國，而不是坐在那裡思考太空旅行的數學解決方案。這也不是一個研究環境的問題，儘管錢學森心知肚明，與馬利納和其他加州理工學院科學家的友誼令他在加州理工學院的生活相當令人滿意。任何一個有過成功團隊協作經驗的人都會明白，當曾經付出的努力馬上就要看到回報時卻不得不離開，那將是多麼令人遺憾。回國的決定一定曾讓錢學森十分糾結。
然而，他的祖國需要他，他的家人想念他，他的榮譽感也在驅使著他。
馬利納在一幅漫畫中畫出了錢學森複雜的情緒。在這幅畫中，錢學森拿著一枚蛋，一端寫著「美國」，另一端寫著「中國」。他前後擺弄這枚蛋，看起來心事重重。
錢學森試著爭取在美國多待一年。他答應為中國航空研究局擔任一年顧問，以示誠意。錢學森請求馮·卡門為他的事情向中國政府陳情。在1940年4月20日寫給王助的信中，馮·卡門寫道：
我想要強調的是，並不是我有意拖延錢學森博士為中國效力。然而，正如你所說的，我相信一個人可以以另外的方式更有效、更忠誠地為他的祖國服務。我認為，讓錢學森在回中國前在航空工程學和航空科學的不同領域繼續從事某些研究工作，這不僅是為了錢學森的前途，也是中國的利益所在。他已經在高速流體力學和結構學領域有了突出建樹。我們現在正在研究船舶的流體力學問題。我認為這是一個非常重要的項目，而且對你所在的機構來說，有一個深入瞭解海平面流體力學問題的人也有益無害。
出於這些觀點，我建議讓錢學森在加州理工學院多待一年。當然，作為一名合作者，我非常欣賞錢學森的出眾能力和個人品行，但相信我，親愛的王助上校，我的建議並不是緣於自私。
12月，加州理工學院方面開始為錢學森準備留在美國所需的相關文件。他們要求美國移民與歸化部將錢學森的簽證有效期延長兩年，在那之後，錢學森準備返回中國，任職於重慶的中央研究院。與此同時，錢學森也給成都的航空研究局寄了一份用中文寫成的論文，題為「預測可壓縮氣流分離之方法」，其中包含了他最出名的壓力校正公式。
戰爭的到來使錢學森在接下來的幾年中從敢死隊的活動中抽身而出。國家科學院的火箭計劃屬於保密項目，而錢學森沒有美國國籍，因此無法得到必要的保密許可證。1940年，錢學森與馬利納在研究上分道揚鑣。但他很快在加州理工學院找到了新的朋友圈，其中大部分是中國人。錢學森參加中國學生組織在校園中舉行的集會，替中國自然科學協會撰寫西海岸部分的章程。「我聽到他們彼此用中文交談，中間夾雜著『微分方程』或『代換』這樣的英文術語，」費耶爾回憶道，「當他們進行科學討論時，最方便的方式依然是使用中文。」
錢學森與張捷遷此時走得特別近。身為加州理工學院航空工程系畢業生的張捷遷與錢學森最初相識於清華大學。1934年，錢學森出國前夕參觀中國航空工業設施時，邂逅了當時在蔣介石的資助下建造設計中國第一個大型風洞的張捷遷。1935年，張捷遷成為弗蘭克·華敦德（Frank Wattendorf）的助手。後者也是馮·卡門的高徒之一，當時在清華大學擔任航空學教授。當馮·卡門於1937年訪問中國時，他為張捷遷提供了一份到加州理工學院學習的獎學金。張捷遷於1940年9月抵達帕薩迪納，與錢學森共用位於古根海姆大樓第三層的一間辦公室。在一年多的時間裡，張捷遷幾乎每天都與錢學森見面。張捷遷回憶道：
錢學森和我是非常好的朋友。他很沉默，很內向，從不對政治問題表露情緒，只有那麼偶爾一次，最多兩三次的樣子。我們都對日本入侵中國非常擔憂，深感失望。當時我們認為中國已經沒有希望了。我們雖然心念國事，但卻感到無能為力。
我們每天都在一起吃午飯和晚飯。有時候工作繁忙，我們甚至在晚飯後還要回到辦公室。我有時會早點走——大約在12點之前。而錢學森卻夜以繼日，無休無止。常常過了午夜，他的房間還是燈火通明。
作為一名外國人，錢學森受到了美國政府的審查。1940年，《外國人登記法案》通過，美國政府從而可以更有效地對來自敵國的外國移民加以監控。儘管錢學森來自美國的盟國，但這年夏天，錢學森依然要根據法案規定提交指紋記錄，並從移民局處得到一個以A字母開頭的身份編號。所有手續於1940年12月2日全部辦妥。
錢學森在不涉密的領域中繼續從事空氣動力學研究。從1940年到1942年間，錢學森關注的主要是結構屈曲問題。隨著在飛行器的設計中金屬逐步取代了木頭和纖維，而航空工程師們也致力於尋求既輕便又結實的新材料，這個問題正在變得越來越重要。對於工程師來說，精確瞭解不同材料的局限性和預測最可能發生屈曲問題的結構位置非常重要，只有這樣，他們才能有針對性地對這些地方予以加固。
在兩年多的時間裡，錢學森撰寫了多篇關於球體外殼、薄圓柱體外殼和圓柱結構屈曲問題的論文。其中一些是與馮·卡門和新近從加州理工學院畢業並加入航空系的路易斯·鄧恩（Louis Dunn）合作完成的。當工程師們設計飛行器的不同外形時，便可以參照這些理論性的論文作為模板。航空系的同事們清楚地記得，在校園裡進行的一項實驗證實了錢學森的許多理論預測。根據數學演算，錢學森發現，圓柱狀外殼的屈曲模式通常為鑽石形狀的。為了證實這一發現，他們在航空系大樓的外面，立起了一個10英尺高、直徑3英尺的金屬圓柱外殼。通過緩慢注水，他們從圓柱內部施加壓力。慢慢地，金屬外殼開始變形，出現了許多鑽石形網格。「確切無疑，理論準確預測到了現實發生的事情。目睹自己的理論通過實驗加以驗證，錢學森本人也興奮不已。」加州理工學院校友伯納德·拉索夫（Bernard Rasof）回憶道。
錢學森還受邀參與加州理工學院的風洞設計工作。這個風洞可以模擬產生超音速氣流。馮·卡門最初向美國陸軍航空部提出建造這樣一個風洞的設想，但卻被駁回。馮·卡門當時的助理、後來曾擔任休斯飛機公司首席執行官的艾倫·帕克特（Allen Puckett）回憶道：「他得到的答覆是，美國陸軍航空部對於建造超音速風洞不感興趣，因為飛機永遠都不可能實現超音速飛行。」接下來，馮·卡門又找到了美國陸軍軍械部，說服他們，這樣的一個風洞對於研究超音速炮彈非常有必要。幾年後，帕克特寫道：「我永遠都不知道他是怎麼做成的這筆生意，對於陸軍軍械部來說，一個風洞就跟腦袋上的一個洞一樣，沒有任何用處。」最終的結果是，陸軍軍械部給了加州理工學院1萬美元，用於建造一個口徑僅為2.5英吋的風洞。3個人參與了這一項目：錢學森負責設計中的數學計算，曾任帕洛瑪（Palomar）望遠鏡項目首席工程師的馬克·塞呂裡耶（Mark Serrurier）負責機械設計，而艾倫·帕克特負責理論部分，如噴嘴形狀設計和性能計算等。此外，他還負責風洞的使用和管理。
到1942年的時候，他們已經造出了全美第一個可以達到4馬赫速度的連續運行的超音速風洞。它是後來帕克特為阿伯丁試驗場的彈道研究實驗室所設計建造的大型風洞的模型。後者口徑為15×20英吋，需要1.3萬馬力的能量帶動，是美國的第一個大型超音速風洞。
或許是因為從事了這項工作，錢學森在《航空科學雜誌》上發表了一篇題為「風洞的收縮圓錐設計」的論文。收縮圓錐形如漏斗，當風從裡面穿過時，逐漸縮小的口徑會增加風的速度。1942年，錢學森發現，如果圓錐某些部位的曲度過大，便會產生邊界層流。如果出口一端風速過高，則風洞則面臨壓縮震波的危險。在論文中，錢學森給出了一個公式，可以讓氣流速度低於亞音速風洞中的音速。他在麻省理工學院風洞實驗中遇到的問題，此時終於得到了解決！
1941年12月7日，錢學森被隔離於高級別軍事項目之外的狀況突然中止。在這一天，來自夏威夷的消息令全美震驚。日本於該日凌晨突襲珍珠港，幾乎全殲美國太平洋艦隊。依仗技術之利，敵人已經兵臨城下，美國再不能靠著大洋的天然屏障而置身事外。美國人立刻作出了反應。洛杉磯嚴陣以待可能到來的下一次襲擊，本地飛機公司則將重要資產轉移到內陸，好萊塢的佈景師把飛機裝配廠偽裝成草坪和城市街道。許多美籍日裔和日本移民儘管身為守法的美國公民，但也被送進了集中營。在這種全國緊急戰備的氛圍下，美國不能再容忍浪費中國科學家的智慧成果了。早在珍珠港事件爆發前，1941年8月，美國司法部就已經將錢學森的移民身份從學生改為訪問科學家，從而令其可以繼續自己的研究。到1942年，馮·卡門深信錢學森對與美國政府的價值，因此親自安排幫助錢學森獲得加州理工學院軍事項目的保密許可證。「我從來都沒有對錢學森忠於美國這件事產生過一丁點兒的懷疑。」馮·卡門寫道。
顯然，美國政府也這麼認為。在例行公事的檢查之後，錢學森的保密許可證在12月1日由美國陸軍元帥辦公室負責內部安全事務的負責人巴特爾（M. S. Battle）上校正式簽署通過。現在錢學森可以參與所有涉及陸軍、海軍、陸軍航空部、國防部和科學研究發展辦公室的機密合同的工作，接觸到他此前不被獲准接觸的高級別保密內容。1942年，錢學森再度加入馬利納的火箭研究，他們的合作催生了美國第一批軍事導彈。