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1966年，钱学森还提议设计拥有躲过反弹道导弹防御系统的弹头。60年代，当中国进行东风五号导弹的设计研究时，他们希望这枚导弹可以穿透美国的弹道导弹防御系统。1966年1月4日，钱学森提议建造更高级的拥有突破防御系统能力的“东风5型”弹头，由此诞生了装有电子反侦察系统及轻型诱饵导弹的返回式导弹。
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钱学森在对导弹进行追踪和遥控的遥测网络的建立上也发挥了一定作用。这一网络对1980年在太平洋上进行的两颗洲际弹道导弹的发射奠定了基础。至少需要3个观测点才能建立起一个能对空中飞行的导弹的位置进行追踪的遥测网络。观测点通过导弹发出的雷达信号计算出二者之间的距离。一个观测点可以将导弹的位置定位于某一个球面上，第二个观测点定位的球面与前一个球面相交形成一条弧线，第三个观测点则能精确地将其定位为一点。尽管设在中国大陆上的3个观测点已经可以满足追踪短程火箭的需求，但对于要飞到地球另一端的洲际导弹来说，它们就无能为力了。这样，必须在太平洋上的舰船上设立观测点，与大陆上的观测点一道完成三角定位。
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1973年，钱学森出任了海军舰载导弹追踪控制系统研发小组的负责人。在1973年9月召开的一次会议上，钱学森提议，在大陆建设遥测网络，以陕西西安、甘肃酒泉和四川西昌为3个观测点。他任命酒泉基地的导弹专家上官世盘进行测控网络的规划工作。上官世盘花了两年时间，终于完成了一份初步计划，并于1975年10月呈交给政府。这份方案得到批准并在当年上马实行。
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1980年5月，两枚国产洲际弹道导弹在酒泉基地发射，飞向太平洋上空。中国大陆和南太平洋舰队上10余个遥测站的数百台通讯设备每秒报告一次导弹的速度、飞行姿态和高度。5月18日，第一枚导弹飞过了南太平洋的吉尔伯特群岛，重新返回大气层，在那里完成弹体分离。导弹残余部分打开降落伞落在海面上，并释放出蓝绿色染料，从而令直升飞机易于识别和收回。1980年5月21日，第二枚洲际导弹也发射成功。上官世盘表示，这两次成功发射是“钱学森最重大的成就之一”。
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“钱学森很有远见，”10余年后，上官世盘这样评价自己的导师，“如果我们没有在10多年完成舰船雷达测控网的建设，这次发射简直是不可能的。他比时代超前了10年，只是我们以前没能意识到而已。他太伟大了。”
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导弹项目之外，钱学森对中国航天事业作出的最卓越贡献，还在于他在第一颗人造卫星缔造的过程中所扮演的角色。几乎从回到中国的那一刻起，钱学森就在不断强调人造卫星的重要性。1958年1月，人造卫星项目正式启动，钱学森和其他科学家完成了发展人造卫星的项目草案，并指定了一个代号“581”的工作小组。到1958年春夏之际，581项目已经成为国家重点发展项目，而在苏联发射了重达2000磅的人造卫星斯普尼克3号（Sputnik III）后，更成为重中之重。
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“我们也要搞人造卫星。”毛泽东在1958年5月17日发表讲话说。1962年，钱学森开始培训这一项目所需的科学家。4名来自上海机电设计研究院的工程师被派往北京，在钱学森手下工作，掌握相关学科的技术。钱学森与他们每周开三个半小时的会，敦促他们学习英文参考文献，因为几乎找不到相关领域的俄文文献，除了一份名为“火箭技术”的学报。这件事有点难度，因为其中3名工程师在中学和大学时学的都是俄语而非英语。钱学森还安排这些人以自己的著作《星际航行概论》为教材授课，主持关于人造卫星研发的研讨会，参观火箭的组装以及第五研究院的引擎测试基地。一年的学习后，4名工程师返回上海，分头开展自己的研究，将钱学森传授给他们的知识传播给更年轻的技术人员和大学毕业生。
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钱学森的弟子需要政府许可才能够在上海的工厂里开展建造人造卫星的工作。因此，计划被拖延了几年。1965年1月，钱学森开始向党中央大力推动人造卫星项目。他指出，中国在东风导弹的研发上已经取得了长足进展，足可以计划开展另一项更大的太空项目，此外，在远程导弹和洲际弹道导弹项目中取得的成就也令中国有可能发射自己的人造卫星。钱学森提醒上级领导，相关工作庞杂繁复，因此最好尽快开始进行。
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当年夏天，钱学森发射人造卫星的提议终于得到了领导层的首肯。1965年4月29日，国防科学技术委员会给出的计划显示，第一颗中国自行研制的人造卫星将于1970年或1971年上天。中国政府希望这颗卫星可以从地面上看得见，而且能够发送可以被全世界听到的广播。1965年8月10日，周恩来正式批准人造卫星计划，并将其列入国家发展计划中。
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1966年5月，以钱学森为首的科学领导小组决定，将中国的第一颗人造卫星命名为“东方红1号”，并在1970年以前使用长征一号火箭将其发射上天。一些其他研究机构与第七研究院一道从事人造卫星的研发工作，其中便包括中国科学院。中科院设立了专门的实验室和一个名为“651所”的设计研究所，负责东方红一号的理论研究。
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这一项目充满风险。如果在一些环节上出了问题，钱学森和中国的声誉都会受损。中国人近乎赌博地决定使用一个只经过部分测试的运载火箭，而它仅仅在几个月前刚刚经历了一次发射失败，技术上的问题依然存在。卫星可能会脱轨，美国人可能在中国人确认卫星轨道之前便觉察到它的存在，卫星上播放的《东方红》歌曲如果因为通讯故障而跑调的话，也可能会被视为对毛泽东的不敬。中国人最怕的一件事便是卫星项目最终可能变成一个巨大的国际笑话，正如美国人1957年的“先锋”（Vanguard）卫星项目一样。
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1970年春天，钱学森前往酒泉发射基地，监督发射前的准备工作。那一年4月份，周恩来将钱学森召回北京，与他讨论运载火箭的改进问题。钱学森和另外4人于4月14日飞回首都，在周恩来主持的特别会议上作报告。大约一周之后，4月24日，毛泽东批准了发射计划。
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那天晚上9点35分，中国的第一颗人造卫星从酒泉双城子基地发射升空。发射过程近乎完美，“东方红1号”每144分钟绕行地球一周，清晰地传送着《东方红》的乐曲。中国成为第5个有能力向太空发射人造卫星的国家，仅在苏联、美国、法国和日本之后。
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在中国，钱学森被颂为英雄。5月1日，红旗飘扬的天安门城楼上，《东方红》的乐队伴奏声中，钱学森受到了毛泽东和其他国家领导人的大力表彰，他在设计和发射中国第一颗人造卫星中的贡献得到肯定。
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钱学森的成功在国际上也引起了反响。他的名字和照片再一次出现在世界各地的新闻报道中。“在美国接受训练的科学家为北京计划了第一颗人造卫星。”《华尔街时报》当年4月27日的报道中称。“完成这一伟业的大师是钱学森。”《费城问讯报》（Philadelphia Inquirer）如是写道。《波士顿先驱报》（The Boston Herald）将钱学森称为“替中国发展火箭并促成昨日卫星环绕地球的高潮一幕的那个人”。“一些美国的科学界人士猜测，中国科学家钱学森或许在这一技术和宣传壮举中扮演了重要角色。”《基督教科学箴言报》则这样写道。《华盛顿明星晚报》的文章中表示：“钱学森被认为是中国太空项目的推动力量。”
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回首往事，钱学森或许会带着满意的冷笑。很大程度上，正是因为他和其他一些才华横溢的中国人的归国之举，中国的核武器项目才会取得如此迅猛的发展。
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——《中国的蘑菇云》，威廉·莱恩和苏墨林，1967
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钱学森在中国发展原子弹的过程中是否扮演了关键角色？在过去的几十年里，美国的媒体和科学家们反复强调指出，钱学森帮助中国制造了原子弹，而不仅仅是运载火箭。这种说法是错误的，然而，在中国原子弹的发展历史上，钱学森的确发挥了一定的作用。
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例如，归国伊始，钱学森就向政府建言发展原子弹项目。在1956年讨论12年国家科学发展计划的系列会议上，钱学森也谈到了核反应堆与热核反应的重要性，甚至言及使用核能为飞机和潜水艇提供动力的事情。
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因为钱学森位居高职，他对原子弹的研发动态一直所知甚详。1960年，钱学森推荐自己的弟子郭永怀从事秘密的核武器研发工作。这使得第五研究院和从事原子弹研究的第九研究院之间建立起了密切的私人联系。两个研究机构的合作使得中国自制的导弹可以与核弹头更好地协调工作。在第五研究院担任副主任的郭永怀加入第九研究院后，只用了8年时间就在压力、震动、结构强度、环境和飞行测试等领域作出了突出的贡献。
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关于中国核武器计划的消息至少有一次是由毛泽东亲自透露出去的。在被告知中国的第一枚原子弹将在10月成功完成试验后，1964年，毛泽东兴奋地对钱学森和其他科学家宣布，中国在原子弹的研究上迈出了一大步。“我们搞原子弹很有成绩呀。”毛泽东这样说道。几个月后，1964年10月16日，中国在罗布泊引爆了第一颗爆炸力2万吨当量的原子弹，从此成为世界上第5个拥有核武器的国家，与美国、苏联、英国和法国一道，跻身“核俱乐部”。
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钱学森还花时间为多个核武器项目提供咨询。1966年12月28日，中国在新疆塔里木盆地罗布泊以西500英里处引爆了一颗原子弹。几天后，12月30日和31日，钱学森参加了在实验基地召开的研讨会，他和8位专家公认此次试验大获成功，并敦促中国政府尽快进行氢弹实验。此外，1970年以前，钱学森还与核物理学家钱三强共同担任某个核潜艇项目的顾问，尽管他在这一项目中的具体作用仍不为人所知，而项目本身也相当保密。
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“核武器的研发不是钱学森的专长，”何祚庥这样写道，“但他对此甚感兴趣。”
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根据这些来自中美科学家的叙述判断，钱学森的成就远远超出他自己的预期。除了对手下人加以启发和教导，向他们强调学习基础理论和研读参考文献的重要性，他还确保了来自高层的支持。他在管理有数千名科学家参与的举行项目方面能力非凡，与此同时，他倡导的工程系统却又能令组织内部事无巨细均洞若观火。钱学森在军队基本建设上扮演了重要角色，使中国拥有发射洲际核弹的能力。在他的倡导和督促下的众多项目使中国得以步入太空时代。
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只要看一眼中国20世纪50年代之后航空航天事业的发展速度和提升幅度，就会明白钱学森的领军地位到底有多么重要。如果钱学森没有适时回国，中国或许将推迟导弹项目，从而令整个发展进程滞后。中国的太空项目如今依然蔚为壮观，至少拥有3个导弹发射基地，一系列不同功能的卫星，无数的超音速和亚音速风洞，“长征”系列运载火箭，一个培训太空飞行员的项目，并具备制造液态和固态推进燃料的能力。此外，具有政府背景的长城工业总公司和中国精密机械进出口总公司则负责将火箭技术售往国外。
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