1945年-1947年期间先后任美国加州理工学院副教授。
1955年冲破重重阻力回到祖国。任中国科学院院士、中国工程院院士。先后获得国家自然科学奖一等奖,国家科技进步奖特等奖,“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和“一级英雄模范”奖章。他作为世界级的顶尖科学家,还被国际电工学会授予“小罗克韦尔奖章”,将他正式列入“世界级科技与工程名人”之列。
20世纪三十年代,钱学森是冯-卡门组织的美国加州理工学院古根海姆航空实验室火箭研究小组的重要成员。1943年和F-马林纳合作完成了研究报告《远程火箭评论与初步分析》,为20世纪四十年代喷气推进实验室成功研制地地导弹和探空火箭奠定了理论基础。这些导弹是后来美国采用复合推进剂火箭发动机导弹的先驱。在超音速及跨音速空气动力学、薄壳稳定理论方面,钱学森对航空工程师理论有许多开创性的贡献。他和冯-卡门一起提出的高超音速流动理论为空间飞行器克服音障和热障提供了依据,为高速空气动力学的发展奠定了基础。以他和冯-卡门命名的“卡门-钱学森公式”曾被用于高亚音速飞机的气动设计。
钱学森于1956年2月17日向中国政府提出《建立我国国防航空工业意见书》,最先为中国火箭导弹技术的发展提出了极为重要的实施方案。并协助周恩来、聂荣臻筹备组建了火箭导弹科学技术研究方面的领导机构。同年4月起,他作为这一领导机构的成员,负责规划与组建了国防部第五研究院。他在20世纪五十年代初,将控制论发展成为一门新的技术科学--工程控制论,为导弹与航天器的制导理论奠定了基础,对中国的火箭导弹和航天事业的迅速发展做出了重大贡献。
他作为中国运载火箭技术研究院的首任院长,带领全院职工研制出我国第一代战略武器,并依靠组织和群众,在研制实践中创建和发展了中国航天系统工程,培养了科技队伍,制定了我国第一代导弹的技术发展途径和步骤,并亲自指导了我国导弹的设计和研制,协助聂荣臻元帅,使我军具有了实战的尖端武器,壮了国威、军威,振了民心,走出了一条自力更生、艰苦奋斗的发展中国航天的成功之路。
钱学森同志在国务院、中央军委授予他“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和“一级英雄模范”奖章时,满怀深情地谈到了他一生的三次激动:突破重重封锁,学成回到祖国;和焦裕禄及孟泰等人同列为无产阶级知识分子;光荣地加入了中国工产党。从中我们可以深切地感受到他“热爱祖国、热爱人民、热爱中国共产党”的真情实感。这也是他高尚品质、人格魅力、崇高信仰的具体所在。
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