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钱学森立刻便遇到了另外一个问题：工具短缺。为了制造导弹，科学家们需要大型钻孔压力机、车床、焊接设备和拼装机器。因为没有能够完成这些工作的机器设备，第一代国产火箭的箭体焊接工作是由工人们手工完成的。第五研究院也继续让受过训练的技师和焊接工人来完成火箭拼装焊接工作。为了改善此种状况，苏联启动了一个焊接培训项目，帮助中国人掌握复杂的惰性气体弧焊接法以及其他一些必需的技术。
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当新的俄式办公大楼动工建造之时，导弹项目的最初参与者们只能凑合着办公。经常可以见到工程师们在拥挤的走廊里借着一只灯泡的微弱光线埋头苦干。行政办公室暂时设在一所医院和军校的旧址中，而火箭组装车间则由一座旧的飞机修理厂改造而成。一些科学家在连一扇窗户都没有的飞机库里夜以继日，挑灯夜战。到了夏天，暑热难忍，年轻人都光着膀子或最多只穿一件背心，在机械手动计算机上狂敲。当时的住房条件相当简陋，一些科学家实际上住在办公室里，或是睡在临时的帐篷或军营中。不过，大多数人住在附近的宿舍楼里。年轻的工程师过着斯巴达式的生活，在食堂里吃大锅饭，自己洗衣服晾衣服。
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这种情况贯穿20世纪50年代中国发展第一枚液态推进探空火箭的整个过程。参与这一项目的科学家们在类似于20世纪30年代加州理工大学“敢死队”初期研究火箭时的条件下工作。简陋的台式计算器，破烂不堪的设备，小型火箭，这就是他们拥有的全部。1960年，上海设计研究院的工程师们制造完成了一枚两级非控制型火箭，它由装有液态推进剂的主体和一个使用固态推进剂的推进部分构成。这枚实验性质的火箭模型后来发展为T-7探空火箭。1960年初，火箭模型被运往上海郊区的老港镇，在那里首次发射。
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如果钱学森见到那个发射基地的话，他可能会因为其条件之简陋而潸然泪下。河边的一大片废弃空地上，是为发射场提供电力的发电站，油布为顶的干打垒棚子里安放着一台50千瓦的发电机。自行车打气筒被用来为火箭加注推进剂。指挥部在河对岸，不过是一个沙袋垒成的小土堆，在发射时起到保护观测者的作用。没有步话机，没有扬声器，也没有电话，发射指令官只能隔着河大喊。然而，尽管设备简陋，发射却相当成功，T-7火箭模型飞了8公里之高。几个月后，1960年4月18日，一个雨夜，钱学森抵达上海江湾机场，检查T-7火箭的主发动机并观看发动机的简单测试。这年9月，T-7火箭成功发射，并成为中国第一代探空火箭的先驱。
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与此同时，苏联人似乎却在刻意向中国隐瞒一些火箭发展的关键方法。苏联科学家对一些文献有所保留，不给中国同事看，而且经常回到大使馆去查阅他们自己的参考文献。两个苏联原子弹专家尤其让中国人大感不满，他们被形容为“只听不说的哑和尚”。
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根据《中苏国防新技术协定》，中苏的合作关系原计划持续30年，但在签约后的第3年就宣布结束。合作破裂的一个原因是苏联出尔反尔，不愿再帮助中国开展核弹项目。1960年8月，苏联突然撤回所有在华专家。大约1390名苏联专家和顾问被紧急召回国，至少343个合同和257个技术项目被取消。中国对这种背信弃义的行为大加抨击。这年夏秋之际，苏联人整理行装准备归国，带走了他们的全部图纸和文献。不能带走的文件则被统一销毁。8月12日，穿着大衣、头戴礼帽的钱学森与其他中国科学家一道在北京火车站送别第五研究院的苏联专家们。告别并拍照留念之后，苏联科学家及其家人登上火车，一去不复返。
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中苏友好关系破裂之时，美国和苏联均在技术上取得了显著的进步，这进一步增强了中国对未来政局的不安心理。此时，中国的所谓导弹项目所拥有的不过是几枚苏联的R-2导弹和一些中国留苏学生从苏联获取的技术材料罢了。为了应对潜在的国家安全威胁，中国领导人在核武器工业上投入了大量人力物力，使得第五研究院的规模呈爆炸性增长。
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尽管苏联人走了，他们却为中国的第一代短程火箭研发奠定了最初的基础。1960年9月，中国发射了一枚由苏联制造但使用国产推进剂的R-2火箭，为未来仿造火箭的发射作好了准备。不久以后，以钱学森、张爱萍和电子学专家王铮为首的委员会便开始着手组织国产R-2火箭的首次试飞。
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导弹被用火车运往藏身于甘肃戈壁中的双城子基地。人们经常也将这个基地称为酒泉发射基地。酒泉城的历史可以追溯到汉代，那时候，中国军队驻扎于此，抵御匈奴的入侵。几个世纪以来，这里的风景几乎没有改变过，群山和沙漠环围下的小城孤寂无人，冬日寒风呼啸，甚至可以吹起篮球大的石块。
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1958年，中国政府将人民解放军第20兵团派往戈壁，在那里建设火箭基地和居住设施。部队官兵挖掘水井，种下杨树和柳树，修建道路和房屋。饮用水只能用卡车从远处的城市运来。军人们还铺设了铁轨。到1960年时，一条连接酒泉和北京的铁路已经铺就。工程师们通常要坐上4到5天的火车才能到达酒泉。很难说到底有多少中国的导弹专家、军人和他们的家属生活在1960年的酒泉，但时至今日，这个城市已经拥有49000名常住人口。
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1960年10月，钱学森来到酒泉基地，视察中国自制R-2火箭的首次发射。此时，这里已经建起了通往戈壁的柏油路，混凝土的发射台和几栋两层高的楼房也已完工。最开始的几天里，导弹在一栋建在铁轨上的房子里接受检测，随后，它被运往发射点。在那里，吊车缓缓地将R-2导弹垂直安放在发射架上。三层脚手架上的操作工人紧张地检查着火箭的各部件，填注推进剂，安装电池和其他设备。
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1960年11月5日早上9点，中国自制的使用无线电控制的R-2火箭在酒泉基地发射成功。在现场参观的聂荣臻元帅在接下来几天的庆功宴上向科学家们频频祝酒。聂荣臻说，这是飞过中国上空的第一枚由中国人制造的导弹，标志着历史的一个转折点。从苏联的R-2导弹运抵北京之日起，钱学森和他的同事们花了近3年时间，才完成了这次历史性的发射。
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然而，接下来的几年对于钱学森来说却充满挫折。
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尽管1960年12月，中国成功发射了另外两枚国产R-2导弹，但要设计更高级的可以实际运行的导弹，人们却一时显得束手无策。作为第五研究院的带头人，钱学森主持了中国第一代地对空弹道导弹——“东风”导弹——的研发工作。1962年3月，“东风2号”导弹被运往酒泉基地进行第一次试射。3月21日的发射中，导弹失去稳定性，在发射升空69秒之后便坠落爆炸。钱学森飞往基地检查爆炸碎片，开展分析，试图找出问题到底出在哪里。“这次发射后，钱学森正确地指出了导致导弹坠毁的原因。”钱学森的弟子庄逢甘指出。在设计导弹的制导控制系统时，科学家并没有将火箭的弹性震动问题考虑在内。引擎和火箭主体结构之间的连接太过脆弱，陀螺仪的位置也不对。
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让情况变得更糟糕的是，钱学森所热衷的另一个项目却因为被认为过于野心勃勃而被中止。1961年11月14日，钱学森任命自己为“东风3号”导弹的总设计师。按照最初设想，这枚以液氧和汽油提供推进力的洲际弹道导弹飞行距离可达1万公里，与美国的阿特拉斯（Atlas）导弹类似。但这些目标对于中国的现实能力来说太超前了，在遇到无数经济和技术上的挫折后，这一项目被取消。曾在钱学森手下工作过的中国火箭科学家，现任斯坦福大学国际安全与军备控制中心助理研究员的华棣表示，尽管钱学森仍对其他项目加以督导，但这却是他最后一次任命自己为某一导弹的总设计师。钱学森本质上是个完美主义者，而他身上理论科学家的一面远超过务实的另一面，对他个人而言，如此远大的目标或许充满诱惑力，但对于中国当时的技术水平而言，却实在过于庞大和复杂。
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看上去，失败反而令钱学森下定决心更努力地工作。从20世纪60年代到70年代，钱学森对中国的导弹项目作出了4项重大贡献。他启发并引导了一大批手下人的工作，向他们介绍那些关键的理论公式，让他们应用到实践中去。钱学森开创的管理系统让官僚主义的影响最小化，并塑造了中国第一代导弹的组织和技术指导模式。
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钱学森对待下属常常恩威并施。在“东风2号”导弹失败后，钱学森主持了一系列关于导弹重新设计的技术会议。在会上，他听取其他顶尖火箭专家的意见，敦促他们“杀出一条血路”来，以解决众多的数学问题。他的弟子庄逢甘回忆道，钱学森经常说：“美国人能做到的，我们中国人也能做到！中国人一点儿都不比美国人差！”
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钱学森还介绍给这些工程师一些合适的参考资料。他自己的著作《工程系统论》在“东风2号”导弹的重新设计中便是一本非常有价值的参考书。钱学森对布里斯（Bliss）公式的阐释尤为重要。布里斯是一位著名数学家，以其关于变量计算的研究而闻名于世。在“二战”中，他的计算公式被广泛应用于弹道的计算。在《工程控制论》中，钱学森将布里斯的工作用于导弹制导系统的设计。后来，对“东风2号”的改进工作中，中国工程师据此完成了制导系统的设计。直至今日，中国的航天航空工程师们依然认为，钱学森的著作为中国从“东风2号”到“东风5号”的一系列导弹的发展提供了坚实的理论基础。
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在此期间，钱学森还将美国的工程管理计划模块引进到中国。设计一枚导弹的复杂性需要尽量减少管理体系中的官僚主义和内耗。导弹项目的管理者需要与上千名工程师和技术人员打交道，组织多个层面的工作：最高一层负责整个系统的结构，中间层负责引擎和制导系统，最底层则负责每一个组件。1962年，钱学森制定了一个增进各层面沟通交流的方案，这一方案与美国的“方案评估与技术审查”（PERT）系统非常相似。当初美国海军为“北极星”（Polaris）导弹项目而设计出的方案评估与技术审查系统用计算机对项目中的各种变量进行分析。本质上讲，它的作用就是为大型工程项目中的每一个步骤绘出一份流程图，从而合理确定人力分工、所需时间、各部门的协作以及发展的不同阶段。钱学森所制定的方案后来被用于中国远程火箭制导系统的计算机设计。
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1964年，钱学森在中国国家领导人主持召开的关于中国导弹发展方向的几次重要会议上表现得相当活跃。在这些会议上，科学家和国家领导人重新修改了“东风”导弹项目的计划，将国产R-2导弹改名为“东风1号”，“东风2号”导弹以日本为假定打击对象，“东风3号”导弹以菲律宾为假定打击对象，“东风4号”对准美国关岛，而“东风5号”的潜在目标则是美国本土。
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在这些会议上，关于火箭制导控制方案的设计理念最终表现为“留美派”和“留苏派”之争。以钱学森为代表的“留美派”最终取得胜利。这一派强调设备的每一个组件都相当可靠，而“留苏派”则认为，只要火箭总体能够工作，无需过分强调个别组件。
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中国领导人决定作出妥协。从“东风2号”到“东风4号”，这些短程导弹均使用原始的皮带式加速计，而在第一枚洲际弹道导弹“东风2号”上，使用高级的陀螺仪和万向节。钱学森对此十分坚持。他宣称：“我们绝对不能满足于一枚初级的洲际弹道导弹。”
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几年之内，钱学森就开始看到了成果。1964年进行的几次发射均告成功。5月29日，3颗中近程地对地导弹顺利发射升空。此后，6月29日，经过重新设计的“东风2号”导弹也发射成功，导弹发动机的升空推力被降低，使其飞行距离缩短到1050公里。7月，导弹设计师们开始新的一轮改进活动，希望能够增加“东风2号”导弹的飞行距离并改善其性能。
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1965年11月，“东风2号”A型导弹的成功发射是中国人在此期间取得的一项巨大胜利。这枚导弹是失败的“东风2号”导弹的升级版，也是中国第一枚实现了自主导航的导弹。“东风2号”A型导弹的负载量与“东风2号”一样，均为1500公斤，仍不足以搭载重1550公斤的中国第一枚原子弹。但这枚导弹的飞行距离增加了约20%。“东风2号”A型导弹用弹身内置的小型计算机替代了雷达控制，这样一来，敌人就无法通过干扰无线电信号而改变导弹飞行方向了。
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“东风2号”A型导弹很快就被用来实施历史上最危险的核试验。1966年10月27日，中国人大胆地同时进行了原子弹和核导弹的试验。这次试验在甘肃的双城子基地进行，“东风2号”A型导弹上搭载了一枚重1290公斤的小型核反应设备——设计者特地减轻了它的自重以满足导弹的运载能力。”“东风2号”A型导弹在发射基地以西800公里的发射点升空，飞向新疆的沙漠，在那里投下一枚爆炸力相当于1.2万吨的核弹。
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