1955年，经过周恩来总理在与美国外交谈判上的不断努力，1955年8月4日，钱学森收到了美国移民局允许他回国的通知。1955年9月17日，钱学森回国愿望终于得以实现了。回国之后的钱学森立马投入到了中国的国防事业中来。
在中国科学院代表、力学家朱兆祥陪同之下，钱学森于1955年11月22日启程，到东北各地参观、访问。钱学森在哈尔滨军事工程学院受到专程从北京赶到哈尔滨的时任中国人民解放军副总参谋长兼哈军工院长、政委的陈赓大将的接见。
在参观哈军工炮兵工程系火箭教授会（相当于教研室）的实验室时，该系副主任兼教授会主任任新民教授向钱学森介绍了室外固体火箭点火试车的实验。钱学森这才得知，中国也已经在着手火箭研究。钱学森对陈赓说：“任教授是你们的火箭专家，我今天有幸认识了他！”
陈赓马上抓住这一话题，问钱学森：“钱先生，你看我们中国人能不能搞导弹？”钱学森不假思索，直率、胸有成竹地回答：“有什么不可能的！外国人能造出来，我们中国人同样能造出来。难道中国人比外国人矮一截？”
陈赓听罢，握着钱学森的手笑道：“钱先生，我就要您的这句话！”
当天晚上，陈赓在学院苏联专家俱乐部宴请了钱学森。在宴会上，陈赓和钱学森谈话的内容总是离不开火箭和导弹。钱学森在东北参观、访问一个月之后回到了北京。
1955年12月24日至26日，在国防部长彭德怀元帅的要求和陈赓大将的组织安排下，钱学森在北京积水潭总政文工团排练场给在京的军事干部讲《导弹概论》，连讲三场，引起中国人民解放军高级将领们对导弹的极大兴趣。
那时候，导弹还只是刚刚冒出军事地平线。苏联、美国的人造卫星还没有上天，洲际导弹技术在国外也尚未突破。所以对于导弹究竟能不能成为一种重要的国防技术，一般人并没有明确的认识，甚至有很多人都还不知道导弹为何物。
身经百战，为新中国的诞生立下汗马功劳的贺龙、陈毅、叶剑英、聂荣臻元帅，都兴致勃勃地赶来听讲，当起了钱学森的学生。钱学森详细地讲解火箭、导弹知识，分析导弹作为一种现代武器，应及早引起人们重视，并列入重点项目予以突破。
他在黑板上写下“火箭军”三个字。他说，这“火箭军”，也就是导弹部队，是一支不同于现有的陆、海、空军的新型部队，是一支能够远距离、高准确度命中目标的部队，是现代化战争中极其重要的后起之秀。他的讲课深入浅出，形象生动，许多老将军都听得津津有味，并对这一尖端武器产生了极大的兴趣。
1956年初，钱学森向中共中央、国务院提出《建立我国国防航空工业的意见书》。同时，钱学森组建中国第一个火箭、导弹研究所——国防部第五研究院并担任首任院长。他主持完成了“喷气和火箭技术的建立”规划，参与了近程导弹、中近程导弹和中国第一颗人造地球卫星的研制。
直接领导了用中近程导弹运载原子弹“两弹结合”试验，参与制定了中国近程导弹运载原子弹“两弹结合”试验，参与制定了中国第一个星际航空的发展规划，发展建立了工程控制论和系统学等。在钱学森的努力带领下，1964年10月16日中国第一颗原子弹爆炸成功，1967年6月17日中国第一颗氢弹空爆试验成功，1970年4月24日中国第一颗人造卫星发射成功。
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