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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，原子弹在预定的距离和高度实现核爆炸。这次史无前例的试验标志着中国开始有了用于自卫的导弹核武器，也标志着《１９５６至１９６７年科学技术发展远景规划纲要》规定的“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”这一任务的提前完成。第二天，即１９６６年１０月２８日，《纽约时报》用这样的文字报道了这一重大事件：“一位１５年中在美国接受教育、培养、鼓励并成为科学名流的人，负责了这项试验，这是对冷战历史的嘲弄。１９５０—１９５５年的５年中，美国政府成为这位科学家的迫害者，将他视为异己的共产党分子予以拘捕，并试图改变他的思想，违背他的意愿滞留他，最后才放逐他出境回到自己的祖国。”
早在１９５３年，钱学森就研究了星际航行理论的可行性。１９５８年，中国科学院成立以钱学森为组长、赵九章和卫一清为副组长的领导小组，负责筹建人造卫星、运载火箭以及卫星探测仪器和空间物理的设计、研究机构。１９６１年６月，在钱学森、赵九章等的倡导下，中国科学院开始举办了持续１２次的星际航行座谈会，钱学森在第一次座谈会上发表了题为《今天苏联及美国星际航行火箭动力及其展望》的讲演。１９６３年，中国科学院成立了由竺可桢、裴丽生、钱学森、赵九章领导的星际航行委员会，负责组织制订星际航行发展规划，安排预先研究课题。１９６５年１月８日，钱学森正式向国家提出报告，建议早日制订我国人造卫星的研究计划并列入国家任务。钱学森指出：“自从苏联在１９５７年１０月４日发射第一颗人造地球卫星以来，中国科学院及原第五研究院对这项新技术就有些考虑，但未作为研制任务。现在看来，人造卫星有以下几种已经明确的用途：测地卫星、通讯及广播卫星、预警卫星、气象卫星、导航卫星、侦察卫星。重量更大的载人卫星在国际上的应用，现在虽然还不十分明确，也得有所准备。现在我国弹道式导弹已有一定的基础，现有型号进一步发展，即能发射１００公斤左右重量的仪器卫星。这些工作是复杂艰巨的，必须及早开展有关的研究、研制工作，才能到时拿出东西。因此建议国家早日制订我国人造卫星的研究计划，列入国家任务，促进这项重大的国防科学技术的发展。”聂荣臻元帅很重视钱学森的建议，指出：“只要力量上有可能，就要积极去搞。”１９６５年４月２９日，国防科委向中央专门委员会报告了邀请张劲夫、钱学森、孙俊人及国家科委、国防工办专业局的负责同志和专家进行研究的结果，提出了在１９７０年或１９７１年发射