1936年，钱学森进入加州理工攻读研究生课程，师从著名的空气动力学家冯·卡门。这位年轻的中国学者对冯·卡门敬仰万分，总是称他为师尊 ，而冯·卡门同样重视这段师生情，他在自传中这样写道：钱学森与我一道研究了很多数学难题。他的想象力非常丰富，不仅有着出众的数学天分，还擅长准确而形象的描述自然现象的物理本质。尽管只是一位年轻学生，但在解决一些相对难的问题时，他却帮助我理清了不少思路。这种天赋甚是罕见，我们成为了密切的合作伙伴。
1937年，钱学森加入了一个小型火箭发动机试验小组。在20时间30时代火箭小组创始之初，学术界和产业界并不看好这一领域，大家认为这不过是好莱坞的噱头，直到1938年春天，美国陆军航空部的阿诺德将军在加州理工亲眼目睹这一研究后并深深着迷，他开始考虑将火箭应用于国防的可能性。
1939年6月，火箭小组赢得了1939-1940年度的一万美元拨款用以研究。这对于火箭小组来说无疑是非常激动人心的。
1939年， 钱学森提出了著名的“卡门-钱压力校正公式”—一个在未来数十年中涉及高速飞行器的工程师们不可或缺的公式。在现代计算机出现前，几乎无人不用卡门-钱公式。
1940年，对于钱学森来说意义非凡，这一年他收到了来自王助上校的信，要求他回国效力，尽一个庚子赔款奖学金获得者的责任。按规定，钱学森在美国的最长停留期限是3年 ，他已经这里待了五年之久，他已经从加州理工毕业，他的学生签证也即将到期，一位接受美式教育、毕业于加州理工的空气动力学家如能回国效力，他的所学将立即帮助一个正在饱受日本空袭和轰炸的国家。
钱学森很清楚，回国不仅意味着要放弃一个在一流的科研环境下和一流的人才共同解决最前沿问题的机会，一旦返回中国，他在科学领域有所突破的日子也就结束了。战火中的中国最需要的是科学家们用才智来保卫国家，而不是坐在实验室思考太空旅行的解决方案。然而，他的祖国需要他，他的家人想念他， 他的荣誉感驱使着他。
火箭小组的小伙伴在一副漫画里中画出了钱学森当时复杂的心情，在这幅画中，钱学森拿着一颗鸡蛋，一段写着美国，一段写着中国，他前后摆弄着这颗鸡蛋，看上去心事重重。
钱学森试着争取在美国多待一年，并答应为中国航空研究局担任一年顾问 ，以示诚意。同时，钱学森请求冯卡门为他的事情向中国政府陈情，1940年4月20日冯卡门在给王助的信中写道：我想要强调的是，并不是我有意拖延钱学森博士 为国效力。然而正如你所说的，我相信一个人可以以另外的方式更有效、更忠诚的为他的祖国服务，我认为，让钱学森回国前在航空工程学和航空科学的不同领域继续从事某些研究工作，这不仅是为了钱学森的前途，也是中国的利益所在。他已经在高速流体力学和结构学领域有了突出建树。我们现在正在研究流体力学问题，我认为这个一个非常重要的项目，而且对你所在的机构来说，有一个深入了解海平面流体力学问题的人来说绝对是有益无害的。
1940年，钱学森从火箭小组中抽身而出，因为国家科学院的火箭计划属于保密项目，钱学森没有美国国籍，无法得到必要的保密许可证。
1941年12月7日，日本空袭珍珠港，几乎全歼美国太平洋舰队，依仗技术之力，敌人已兵临城下，美国再不能靠着太平洋的天然屏障置身事外了。美国人立即做出反应，洛杉矶严阵以待可能到来的下一次袭击，本地飞机公司则将重要资产转移到内陆，好莱坞的布景师把飞机装配厂伪装成草坪和城市街道，许多日籍和日本移民尽管是守法的美国公民也被送进了集中营。在这种全国紧急战备的氛围下，美国不能再容忍浪费中国科学家的智慧了。
1941年12月1日，钱学森的保密许可证正式签署通过。他将可以接触到所有此前不被获准的最高机密。
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