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1943年夏天，美国陆军航空部寄给冯·卡门几张在法国北部海域航拍的绝密照片。这些照片中，有一些形如混凝土滑雪跳台的奇怪建筑物。军方官员向冯·卡门请教这些是什么。冯·卡门在仔细察看后断定，这些建筑物是火箭发射平台，但他此前却从来没有见过这么大的。之后，空军又寄给冯·卡门三份来自英国情报部门的德国火箭活动报告。尽管这些报告的主要内容不够准确，它们却向美军泄露了德国人正在大规模建造火箭和导弹的秘密。
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军方立刻警觉并作出反应。1943年9月，陆军军械部成立了火箭发展联络部，负责研发工作。此外，他们还向加州理工学院派驻了两名联络官：W. H. 乔伊纳（W. H. Joiner）上校和罗伯特·斯塔韦尔（Robert Staver）上尉。乔伊纳请马利纳撰写一份评估美国火箭引擎推动长程火箭能力的评估报告。
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当年11月，冯·卡门在马利纳和钱学森的技术支持下，将一份备忘录形式的报告提交给乔伊纳。他们推断出，在现有的技术水平下，美国军方无法制造可以飞行100英里以上的火箭。然而，他们提议成立一个新的研究实验室——喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，简称JPL），在政府的资助下致力于研究制造可以飞行更长距离、炸药承载能力更大的火箭。他们还提议，在喷气推进实验室对冲压式喷气发动机的可行性开展独立研究。这种吸入空气的推进系统可以为长程火箭提供动力。
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在马利纳和钱学森的分析基础上，冯·卡门又有所扩展。他建议制定一个共分四个阶段的研究项目。首先，研究人员将对可以承载50磅炸药飞行10公里的限制燃烧固态推进火箭导弹展开测试。其次，研究者将设计一个重2000磅、使用液态推进剂的火箭导弹，它将可以承载200磅负荷飞行12英里。第三步，将对冲压式喷气发动机进行理论研究。第四步，将完成对一个重10000磅、能够飞行75英里的导弹的测试。在这份由冯·卡门在马利纳和钱学森的帮助下于1943年11月20日完成的新报告，第一次提到了“喷气推进实验室”这个名词。几年后，冯·卡门写道：“我相信，我们的提议书是美国导弹项目的第一份正式备忘录。”
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相当奇怪的是，陆军航空部却拒绝了这一提议。来自空军装备司令部的反馈是，这个项目不能立竿见影。然而，幸运的是，乔伊纳上校已经预见到了这一结果。他下定决心，要亲眼目睹加州理工学院成为新的美国导弹研究中心。他敦促自己的同事斯塔韦尔上尉将这份报告抄送给陆军军械部，并附上一封热情洋溢的推荐信。
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陆军军械部再一次表现出慷慨和大度。多年前，陆军军械部曾向科学研究和发展办公室负责人范内瓦·布什（Vannevar Bush）提议，开展制导导弹研究。布什拒绝了这一提议，理由是导弹天生就不够精确，无法持续打击目标，而投入研发更精确的导弹又会占用战争其他领域所需要的人才。军械部的官员将1943年11月的这份报告视为达成自己进军火箭研究目的的一个机遇。萨姆·里奇（Sam Ritchie）上校飞往帕萨迪纳，与古根海姆实验室的研究小组亲自会谈。为所见所闻而震撼，他要求研究小组提交一份更为详尽的建议书。里奇鼓励他们扩展新的实验室的研究领域，从而不仅将导弹的研究囊括进来，还要涉足导弹的实际制造：建造火箭雏形，设计精确制导和控制技术。
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几个月后，冯·卡门收到了一封来自陆军军械部G. W. 特里切尔上校（G. W. Trichel）的信，信上标注的日期为1944年1月15日。信中写道：
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军械部渴盼尽快着手研发远程火箭导弹……我们准备提供这一项目所需的大笔金钱……项目预算每年以300万美元为限。
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300万美元。“这样的大手笔让我们兴奋得发抖！”几年后，弗兰克·马利纳在回忆录中这样写道。接下来，加州理工学院校董事会于当年2月批准了名为“ORDCIT”的项目计划，它是“军械部与加州理工学院的合同”（Ordnance Contract to the California Institute of Technology）的首字母缩写。
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喷气推进实验室拟出了一份远程火箭研发项目的人事架构草图。领导小组由冯·卡门、马利纳、克拉克·密利根等人组成。在“加州理工学院研究与基础设计”分部之下，另设4个小组：弹道、材料、推进和结构。在最初的组织关系图中，钱学森被指派为推进小组的负责人，并与霍默·约瑟夫·斯图尔特共同管理弹道小组。
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1944年3月，钱学森为喷气推进实验室进行了一项重要的对比试验，比较了不同喷气推进系统的性能。与冯·卡门、马利纳和萨默菲尔德一起，钱学森对不同类型的火箭——“吸气式”火箭、纯火箭、高速与低速火箭、地面发射和飞机发射火箭——的优点和缺点进行了深入细致的分析。他们推断出，将涡轮式喷气发动机和冲压式喷气发动机结合起来，或许是火箭发射升空后飞行最初阶段的最佳解决方案。作出这一选择是基于三个基本原因：首先，混合使用涡轮式喷气发动机和冲压式喷气发动机的飞行器可以回收；其次，在飞行最初阶段，可以从大气层中获取氧气，从而使火箭能够携带较少的氧，减少自重；最后，敌人很难击落这样的火箭，因为它可以由移动目标发射。
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6月份，加州理工学院从陆军那里得到了建造ORDCIT火箭的合同以及160万美元。此外，还有一个价值360万美元的后续合同。1944年7月1日，与制导导弹相关的工作正式开始进行，这项工作分为4个主要研究领域。其中有JPL-1，最初的AAF引擎研究项目；JPL-2，测试固态推进水下导弹的研究项目；JPL-3，AAF冲压式喷气发动机项目；JPL-4，所有项目中规模最大、得到最多资助的ORDCIT合同项目。JPL-4项目的最终目标是建造一个能够负载1000磅爆炸物的制导导弹，可以飞行150英里，精确锁定目标，误差不超过3英里。喷气推进实验室的创立者们希望先建造一个小型的固态推进火箭，并将其命名为“列兵”（Private）系列。之后，使用液态推进剂、自重较大的导弹被命名为“下士”（Corporal）系列。他们计划对导弹加以逐步改造，给那些改进过的导弹赋予高一级的官阶，一直到“上校”（Colonel）为止。
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阿罗约河谷开始大兴土木，从新墨西哥的阿布奎基运来大批一战用剩下来的钢材，新的建筑物迅速拔地而起。不到一年，这里的人员数目超过了200名，是以前的两倍。在1944年夏季，钱学森成为喷气推进实验室的第一个研究分析小组负责人。这是他首次在一个主要科学团体中担任领导。
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作为喷气推进实验室的小组负责人，钱学森迅速在人们心中树立起世界级喷气推进专家的地位。他生逢其时。1944年6月，德国使用V～1和V～2导弹向伦敦进行了密集轰炸，在那之后，钱学森所专攻的这一领域顿时对美国军方有了非同寻常的重要意义。在喷气推进实验室，钱学森负责“列兵A型”（Private A）导弹的研究工作。这是一枚小型固态推进导弹，其理念即源自钱学森和马利纳在JPL～1报告中的演算结果。10多名科学家在钱学森的手下工作，其中半数是擅长应用数学的理论学家，另外一半则是电子学专家。许多人都与加州理工学院有着千丝万缕的关系——比如霍默·乔·斯图尔特，航空系教授；林家翘，加州理工学院的新科博士；钱伟长，加州理工学院的博士后。
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每个周三下午，西装革履的钱学森都要到航空系大楼或天文系大楼中，与其他小组负责人一道开会。“我们最终意识到，关键问题是，带头人必须对彼此的专长有着充分的了解，”斯图尔特说道。这些会议的重要性不亚于火箭发射时各小组带头人亲临现场。“正因如此，每个小组负责人都必须参加发射现场的测试活动，”斯图尔特说，“大家都要睡在脏兮兮的帐篷里，吃着同样恶劣的食物，直到像了解自己一样了解彼此。”喷气推进实验室中共有9个小组：研究分析、水下推进、液态推进剂、固态推进剂、材料、推进剂、工程设计、研究设计以及远程控制。
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1944年12月，列兵A型导弹万事俱备，只欠测试。测试地点选在加利福尼亚巴斯托镇附近利奇泉一带的莫哈韦沙漠中。钱学森也到了现场。装有设备的卡车驶入沙漠，支起了帐篷。矗立于高36英尺、有4排导向轨道的钢铁发射架上的导弹全长8英尺，装有可以在34秒的时间里提供1000磅密集推动力的主引擎，另外还有4台标准引擎，可以在发射中在不到1/5秒的时间里为火箭提供21700磅的初始推进力。4个1英尺长的尾翼为火箭提供方向制导。如果测试成功，列兵A型导弹将成为美国第一个成功发射的引擎采用固态推进剂的导弹。
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那天一切顺利。列兵A型导弹的所有表现均合乎预期。在24次试飞后，这枚导弹的最大飞行距离可达23英里，最高到达了14500英尺的高空。与此同时，钱学森也帮助完成了其他一些导弹的初始设计，在他离开加州理工学院之后，这些导弹仍在被测试。其中之一是列兵F型导弹，它失败了。这枚导弹是根据钱学森在1943年作出的预测所设计的，当时，钱学森指出，如果在弹身上增加额外的机翼的话，一枚导弹的飞行距离可以因此增加50%。1945年4月1日，列兵F型火箭在得克萨斯的布利斯堡进行了17次测试，但每次都因为缺乏有效的火箭制导系统而旋转失去控制。
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另外一个采纳了钱学森的某些基本主张的火箭是“WAC下士”火箭（WAC Corporal）。这是一枚高16英尺、带有655磅液态推进剂的太空火箭。1945年10月，当它在新墨西哥的白沙实验基地发射时，到达了23万英尺——超过40英里——的高空。它不仅是第一个飞出地球大气层的人造飞行器，而且还充当了远程制导火箭“下士E型”（Corporal E）的模板。后者在1949年6月发射成功。
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1944年5月底，冯·卡门前往纽约接受胃部手术，直到当年9月中旬，他才又回到帕萨迪纳。由于两次手术所引发的疝气，冯·卡门恢复得很慢。当他在纽约乔治湖的疗养院中休养时，他继续操心着喷气推进实验室的事。1944年8月，马利纳和钱学森前往纽约，其一是看望冯·卡门，其二，倚重冯·卡门指导的二人也需与其讨论导弹的远程控制的事情。
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钱学森和其他的人对于冯·卡门长期不在帕萨迪纳这件事深感忧虑。最明显的迹象就是，弗兰克·马利纳和克拉克·密利根之间的敌意已经愈演愈烈，一触即发。马利纳一直以来就不喜欢密利根，因为后者在1936年火箭项目诞生之初时，几乎将其扼杀于摇篮中。1945年10月25日，马利纳曾在喷气推进实验室的会议上对密利根大发脾气，甚至将他的论文扔在地下，并以辞职威胁。一些证据显示，钱学森与马利纳站在一条战线上。“钱学森不喜欢克拉克·密利根，”钱学森的朋友汉斯·利普曼回忆道，“他曾对我说，我们干脆全都离开算了，去他的古根海姆实验室吧。冯·卡门不在加州理工学院这件事让钱学森很不开心。”
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1944年9月初，亨利·阿诺德将军在停在纽约拉瓜迪亚机场的一辆小轿车中，与冯·卡门进行了一次秘密会谈。在那里，阿诺德对冯·卡门说，他需要一项可以为军方描述未来空中战争、空中军事力量和制导火箭的可行性的研究。“战争还未结束，”冯·卡门多年后回忆说，“然而阿诺德已经将目光投向了战争以后的趋势，并意识到，技术天才将能够帮助他寻找到军队或政府官僚机构无法提供、只能在大学和芸芸众生中得到的答案。”阿诺德将军表示，他需要冯·卡门召集一批科学家，效力于五角大楼，帮助绘出未来20年到50年的空中研究蓝图。受宠若惊的冯·卡门立刻答应了这一请求——只有一个条件：“不要有人对我发号施令，也别让我对别人发号施令。”阿诺德向冯·卡门保证，他自己将是冯·卡门唯一的顶头上司。之后，冯·卡门从加州理工学院请假离开，1944年10月正式成为美国陆军航空部顾问。
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当听说冯·卡门再过8个月仍然不会回来时，中国研究生团体出现了骚动。在一封由钱学森、林家翘、钱伟长和郭永怀共同署名，写于1944年11月7日的信中，这些中国学者以一种最后通牒式的口气列出了一系列要求。如果冯·卡门计划无限期地离开，他们希望冯·卡门可以帮助这些人谋取在其他大学的职位。钱学森希望去加利福尼亚大学，郭永怀希望在普林斯顿大学声波小组中占有一席之地，钱伟长希望得到另外一个研究岗位，而林家翘则中意布朗大学。他们写道，没有冯·卡门的主持，他们的研究很难继续进行。冯·卡门的缺席也令他们无法继续在一个充满“有创造力的领导和温暖的个人关系”这样的氛围中工作。
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几周之内，冯·卡门就向钱学森发出了一个相当有吸引力的邀请。他请钱学森和他一道前往华盛顿，与另外两人一起担任他的助手，并出任科学顾问小组的成员。这个小组的主要任务是为陆军和空军最高指挥官提供资讯，帮助他们衡量未来空战的所有可能的选择方案。与钱学森共事的另外两名冯·卡门的助手是休·德赖登（Hugh Dryden）和弗兰克·华敦德。他们和30多名顶尖科学家和工程师组成了精英云集的科学顾问小组。在1944年底或1945年初，钱学森辞去了喷气推进实验室研究分析主管的职务，将教学任务移交给同事霍默·乔·斯图尔特。这个10年前来到美国的年轻中国学生现在开始向华盛顿进军。
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