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１９４９年５月２０日，钱学森收到美国芝加哥大学金属研究所副教授研究员、留美中国科学工作者协会（简称留美科协）美中区负责人葛庭燧写来的信，同时转来１９４９年５月１４日曹日昌教授（中共党员，当时在香港大学任教）写给钱学森的信，转达即将解放的祖国召唤他返国服务、领导中华人民共和国航空工业建设之切切深情。这时钱学森还看到周培源给林家翘的信，得知北京西郊解放时的良好情况。也见到在加州理工学院当研究生的罗沛霖（曾经以非党技术人员身份在延安工作过），他认为钱学森回国为解放了的祖国服务的时候到了。钱学森遂加紧了回祖国的准备，以便实现他多年的夙愿。
钱学森（三）
但这时正值麦卡锡主义横行，美国全国掀起一股要雇员们效忠政府的歇斯底里狂热。几乎每天都发生对大学和其他机构进行审查或威胁性审查的事件。加州理工学院也被涉及，因威因鲍姆下狱，怀疑落到钱学森身上。１９５０年７月，美国政府决定取消钱学森参加机密研究的资格，理由是他与威因鲍姆有朋友关系，并指控钱学森是美国共产党员，非法入境。钱学森这时立即决定以探亲为名回国，准备一去不返。但当他一家将要出发的时候，钱学森被拘留起来，两星期后虽在几位美国同事好友的大力帮助下保释出来，但继续受到移民局根据麦卡锡法案进行的迫害，行动处处受到移民局的限制和联邦调查局特务的监视，被滞留５年之久。１９５５年６月的一天，钱学森夫妇摆脱特务监视，在一封写在一张小香烟纸上寄给在比利时亲戚的家书中，夹带了给陈叔通先生的信，请求祖国帮助他早日回国。陈叔通先生收到这封信的当天，就把它送到周恩来总理手里。１９５５年８月１日，中美大使级会谈在日内瓦开始，王炳南大使按照周总理的授意，以钱学森这封信为依据，与美方进行交涉和斗争，迫使美国政府不得不允许钱学森离美回国。８月５日，钱学森接到美国政府的通知，说他可以回国。但在乘坐美国邮船的归途中，他仍被当作犯人对待。
在１９５０年到１９５５年这一段争取回国的时间里，钱学森因受到特务监视，感到压力很大，除了教书和做研究工作以外，学术活动和社会活动参加得很少，但仍未放弃学术研究。钱学森这个时期的主要开创性的研究成果是１９５４年在美国发表的《工程控制论》一书，及讲授力学工作介质物理性质的理论“物理力学”。当钱学森在回国前夕同蒋英带着幼儿钱永刚、幼女钱永真向他的老师告别时，冯？卡门充满感情地说：“你现在学术上已经超过我！”
就在美国政府迫害钱学森的５年中，加州理工学院的许多美国朋友安慰他，千方百计地给他解决困难，表示了真诚的友情，如Ｗ．Ｒ．西尔斯（Ｓｅａｒｓ）教授、Ｆ．马布尔（Ｍａｒｂｌｅ）教授、Ｍ．米尔斯（Ｍ出ｓ）、登肯？兰尼（Ｄｕｎｃａｎ Ｒａｎ－ｎｉｅ）等。
钱学森后来回顾在美国的经历时说：“我从１９３５年去美国，１９５５年回国，在美国待了２０年。２０年中，前３—４年是学习，后十几年是工作，所有这一切都在做准备，为了回到祖国后能为人民做点事。我在美国那么长时间，从来没想过这一辈子要在那里待下去。我这么说是有根据的。因为在美国，一个人参加工作，总要把他的一部分收入存入保险公司，以备晚年退休之后用。在美国期间，有人好几次问我存了保险金没有，我说一块美元也不存，他们感到很奇怪。其实没什么奇怪的。因为我是中国人，根本不打算在美国住一辈子。”
钱学森一家１９５５年１０月８日到达香港，同日过国境，回到了祖国。从香港上码头开始，通过与中国旅行社同志的接触，感受到了祖国的温暖。进入国境，钱学森一家见到了科学院派来接他们的朱兆祥。党和政府对他们的照顾无微不至。钱学森受到广东省委书记陶铸的接见并在广州参观。经过上海、杭州，最后到了北京。不久，领导上安排钱学森到东北去参观，看了农村和工厂，特别是飞机厂等，饱览了祖国欣欣向荣的景象。
１９５５年１１月，钱学森和钱伟长合作筹建中国科学院力学研究所。１９５６年１月５日，力学所正式成立，钱学森任第一任所长，直至７０年代后期。在钱学森倡议下，中国应用与理论力学学会在１９５７年正式成立，钱学森被一致推举为第一任理事长，以后又任中国力学学会第一任理事长。１９５８年任中国科学技术大学近代力学系主任，讲授星际航行概论和物理力学。
１９５６年春，钱学森应邀出席中国人民政治协商会议第二届全国委员会第二次全体会议，并在会上发言。２月１日晚，毛泽东主席设宴招待全体委员，并特别安排钱学森同自己坐在一起，进行了亲切的谈话。这是一个有意义的时刻，它表明了钱学森从１９５５年１０月８日回到祖国后，已全身心地投入一项新的事业——中国共产党领导的现代化建设事业。１９５９年经杜润生、杨刚毅介绍，钱学森加入了中国共产党。
１９５７年，钱学森所著《工程控制论》获中国科学院自然科学奖一等奖。在5月30日中国科学院第二次学部大会上，他被补选为中国科学院学部委员。同年９月，国际自动控制联合会（ＩＦＡＣ）成立大会推举钱学森为第一届ＩＦＡＣ理事会常务理事。１９６１年，在中国自动化学会成立大会上，全体代表一致推举钱学森为首任理事长。
在４０年代试验导弹的早期日子里，钱学森就意识到导弹日益增长着的重要性，需要一种他称之为喷气式武器部的新机构，用新的军事思想和方法专门进行研究。新中国国防建设的需要，为他实现这一预见提供了历史的机遇。在哈尔滨参观中国人民解放军军事工程学院时，院长陈赓大将专程从北京赶回哈尔滨接见钱学森，他问钱学森的第一句话是：“中国人搞导弹行不行？”钱学森说：“外国人能干的，中国人为什么不能干？”陈赓大将说；“好！就要你这一句话。”这次谈话，决定了钱学森从事火箭、导弹和航天事业的生涯。１９５５年１２月２７日，万毅根据彭德怀元帅的指示，详细地听取了钱学森关于如何发展我国火箭导弹技术的意见。１９５６年２月１７日，在周恩来总理的鼓励下，作为一个刚刚回归祖国不久的科学家，钱学森怀着对新中国国防事业强烈的责任感，给国务院写了关于《建立我国国防航空工业的意见书》（当时为保密起见，用“国防航空工业”这个词来代表火箭、导弹和后来所称的航空航天技术）。《意见书》指出：“健全的航空工业，除了制造工厂之外，还应该有一个强大的为设计服务的研究及试验单位，应该有一个作长远及基本研究的单位。自然，这几个部门应该有一个统一领导的机构，作全面规划及安排的工作。”《意见书》提出了我国“国防航空工业”的组织草案、发展计划和具体步骤，并且开列了一张可以调来做高级技术工作的２１人名单，包括任新民、罗沛霖、梁守槃、胡海昌、庄逢甘、罗时钧、林同骥等。《意见书》立即引起中央的重视，周恩来总理在１９５６年３月１４日亲自主持会议研究，决定由周恩来总理、聂荣臻元帅和钱学森等筹备组建导弹航空科学研究的领导机构——航空工业委员会，委员会下设立：（１）设计机构；（２）科学机构；（３）生产机构。１９５６年４月１３日，国务院成立了以聂荣臻元帅为主任的航空工业委员会（当时对外不公开），钱学森被任命为委员。
钱学森（四）
１９５６年春，周恩来总理亲自领导数百名科学技术专家，制订新中国第一个远大的规划——《１９５６至１９６７年科学技术发展远景规划纲要》，确定了５７项国家重要科学技术任务。由钱学森主持，在王弼、沈元、任新民等的合作下完成了第３７项（《喷气和火箭技术的建立》）的规划。钱学森等在这项重要科学技术任务的说明书中指出：“喷气和火箭技术是现代国防事业的两个主要方面：一方面是喷气式的飞机，一方面是导弹。没有这两种技术，就没有现代的航空，就没有现代的国防。建立了喷气和导弹的技术，民用航空方面的科学技术问题也就不难解决”；“本任务的预期结果是建立并发展喷气和火箭技术，以便在１２年内使我国喷气和火箭技术走上独立发展的道路并接近世界先进的科学技术水平，以满足国防的需要”；解决本任务的途径：“必须尽先建立包括研究、设计和试制的综合性的导弹研究机构，并逐步建立飞机方面的各个研究机构”；解决本任务的大体进度：“１９６３—１９６７年，在本国研究工作的指导下，独立进行设计和制造国防上需要的、达到当时先进性能指标的导弹”；组织措施是：“在国防部的航空委员会下成立导弹研究院，该院自１９５６年起开始建设，１９６０年建成”。１９５６年５月１０日，聂荣臻元帅提出《关于建立我国导弹研究工作的初步意见》，并且建议：在航空工业委员会下设立导弹管理局，钱学森任总工程师；建立导弹研究院，钱学森任院长。钱学森很快受命负责组建我国第一个火箭、导弹研究院——国防部第五研究院。１９５６年１０月８日，恰好是钱学森回归祖国一周年的日子，聂荣臻元帅亲自主持五院成立仪式。这一天也是对新中国１５６名大学毕业生进行导弹专业教育训练班的开课纪念日。钱学森主讲《导弹概论》。在１９４２年加州理工学院喷气技术训练班授课１４年之后，钱学森为能在自己的国家培养我国第一批火箭、导弹技术人才，感到无比激动。这批受训的大学生，后来成为我国火箭、导弹与航天技术队伍的骨干。１９５７年２月１８日，周恩来总理签署国务院命令，任命钱学森为国防部第五研究院第一任院长。从此，在周恩来总理、聂荣臻元帅直接领导下，钱学森开始了作为新中国火箭、导弹和航天事业技术领导人的长期经历。１９５７年１１月１６日，周恩来总理任命钱学森兼任国防部第五研究院一分院院长。１９５８年５月２９日，聂荣臻元帅同黄克诚、钱学森一起部署了我国第一枚近程导弹的制造工作。１９６０年１１月５日，在聂荣臻元帅现场亲自指导下，以张爱萍将军为主任，孙继先、钱学森、王诤为副主任的试验委员会，在我国酒泉发射场成功地组织了我国制造的第一枚近程导弹的飞行试验。正如聂荣臻元帅在庆祝宴会的祝酒词中所说，在祖国的地平线上，飞起了我国自己制造的第一枚导弹，这是我国军事装备史上一个重要的转折点。１９６４年６月２９日，我国第一个自行设计的中近程导弹进行飞行试验获得成功。１９６６年１０月２７日，遵照周恩来总理“严肃认真、周到细致、稳妥可靠、万无一失”的指示，钱学森协助聂荣臻元帅，在酒泉发射场直接领导了用中近程导弹运载原子弹的“两弹结合”飞行试验，导弹飞行正常，�