1935年8月，考取公费留学的钱学森从上海登上“杰克逊总统号”游轮，前往美国麻省理工学院攻读硕士学位。也正事这一年，钱学森在撰写题为《火箭》的文章中描绘了自己心中的远大抱负：你在一个夏夜，望着繁密的闪闪群星，有一种不可及的失望吧，我们真的如此可怜吗？不，绝不，我们必须征服宇宙！
年轻时钱学森
在麻省理工学院，这个总是考第一的完美主义者每天早上六点起床，除了上课和做实验，他的大多数时间都泡在图书馆。来到美国不到一年，二十五岁的钱学森便孤身一人横穿美国大陆来到加州理工学院。在这里他遇到了自己一生中最重要的导师冯·卡门。这位充满传奇色彩的犹太裔科学家从纳粹反犹主义盛行的德国来到美国从事他的航空理论研究。同样身处异乡的心境，让冯·卡门与钱学森之间多了一层天才之间的惺惺相惜。在回忆录中，冯·卡门这样描述两个人的初次相遇：我抬头看到一位个子不高，仪表严肃的年轻人，他异常准确地回答了我所有问题。他思维的敏捷和富于智慧，顿时给我以深刻的印象。
冯·卡门与钱学森
在冯·卡门的指导下，年仅28岁的钱学森以一种全新的近似方程式解决了飞机高速飞行时壳体变形的数学计算难题，这就是著名的“卡门-钱近似”公式。被后来的国际航空界广泛应用了二十年。1940年，钱学森加入了当时加州理工学院最前沿的火箭小组，在一片山谷上，他们发射了第一枚火箭，这片山谷也成为美国火箭研究的发祥地。从此，钱学森的研究重心从航空开始转向火箭。冯·卡门敏锐地看到这些年轻人的尝试可能将改变未来。
1944年2月，加州理工学院喷气式推进实验室成立。实验室设立弹道、材料、推进、结构等四个部门。钱学森负责推进部门，并参与共同管理弹道部门。美国政府每年投入三百万美元，开始研究代号为“列兵A”的火箭武器。二战结束后，美国开始制定战后飞机和火箭导弹发展规划《迈向新高度》 这一项目云集了数十位美国顶尖的科学家参与。13卷报告中有5卷由钱学森参与编撰，并执笔了最重要的部分。
1947年，36岁的钱学森已经是世界知名的火箭喷气推进专家，麻省理工学院最年轻的终身教授。他成为美国科学界最明亮的新星之一。《纽约时报》和《时代周刊》预测他会成为另一个世界著名火箭专家冯·布劳恩。
1949年5月，他收到了来自“北方当局”的来信，邀请他回中国领导航空工业的建设。钱学森知道信中的“北方当局”正是中国共产党。
钱学森一家乘坐克利夫兰总统号归国
1950年8月，刚刚辞去加州理工学院教授的钱学森在五角大楼约见了美国海军副部长丹尼尔·金贝尔，他正式告知金贝尔，自己和家人即将离开美国，返回地球另一端的祖国。金贝尔力劝钱学森留在美国，甚至充满暗示的表示要钱学森三思而行。但这位闻名全美的中国科学家去意以决。回到中国去，这是钱学森两年多来筹划已久的事情，也正式开启了钱学森的艰难归国路。
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