钱学森在华盛顿的时光激动人心但又十分短暂。他发现，这个城市仍未从4年战时的混沌无序中走出。“二战”期间，政府公务员的人数增加了将近一倍，4年中发布的各种文件和记录的数量超出了此前历史遗留文件的总和。在五角大楼中担任科学顾问的钱学森被授予一枚金质徽章，可以参与最高国防机密。两年之前，这座恢宏的建筑才成为美国陆军、海军和空军的总指挥部。
从12月到1月，亨利·阿诺德将军在五角大楼举行了几次会议，阐述他对科学顾问团的期待。他的听众是40多名30出头或刚届不惑之年的年轻人，全都西装笔挺，打着领带。“在过去的20年中，空军一直致力于培养飞行员，飞行员，更多的飞行员，但在未来的20年里，我们将把重心放在科学家上。”阿诺德表示。
阿诺德将军敦促这些年轻人从美国各地甚至海外寻找可以令美国空军力量称霸全球的新发明。“别担心费用问题。”他向他们表示。忘掉过去，着眼未来。寻找一切可能，实现超音速飞行、无人驾驶飞机、高爆炸弹、空中侦察乃至于核动力推进等战略目标。“关于设备问题，现有的这些只是供你们大胆想象的基础罢了。”阿诺德说道。
为了贯彻阿诺德将军的指令，钱学森走访了美国其他的一些研究机构。从1945年2月到4月，他访问了RCA实验室、美国航空顾问委员会（NASA的前身）、喷气推进实验室（JPL）和其他研究机构，以对美国航空发展的动向了然于胸。“经常是有人说一句‘咱们去加州和西海岸的那帮人开个会吧’，只需提前一小时通知空军，当天就可以带着牙刷坐上专机飞往加州。”钱学森以前的学生兼科学顾问团同事切斯特·哈瑟特回忆道。
在五角大楼时，钱学森通常总是忙着在写报告。每天早上，他和哈瑟特先一起写点东西，讨论彼此的想法，然后再与其他专家交换草稿。“我们写的那些东西都相当有争议性，因为我们在预测未来。”哈瑟特说。据哈瑟特回忆，就在这段时间，钱学森完成了《军事飞行器未来发展趋势报告》的大纲。这份长篇报告讨论了飞行器的不同推进和控制方式，还探讨了高速空气动力学问题。在这之后，哈瑟特和钱学森在五角大楼的餐厅共进午餐。“通过这些一起吃午餐的机会，我得以真正地了解钱学森。在五角大楼的他比当教授时和蔼可亲多了，他是个十足的绅士，非常有礼貌，非常客气。”
1945年3月，德国投降前夕，阿诺德将军向冯·卡门建议：“为什么不去趟德国，亲自考察一下德国人到底在研发上进展到了哪一步呢？”阿诺德希望，一个由顶尖科学家组成的调查小组可以参与到对德国人的审讯过程中去，调查德国的设备研发状况。他还希望这个小组通过拜访瑞士和瑞典这些邻近德国的中立国家中的空气动力学家，间接地收集有关德国的情报。
很明显，冯·卡门希望钱学森可以同行。作为调查小组中唯一一个外国人，钱学森依然拿着中国护照，上面是美国政府1936年颁发给他的学生签证。离开美国不成问题，但钱学森担心，当欧洲使命结束后返回美国时，移民局可能会找他的麻烦。在发给五角大楼的电报中，钱学森写道：“我需要美国移民局的保证，确保我可以再度入境。”4月17日，弗雷德里克·格兰茨伯格（Fredrick Glantzberg）给美国移民局去信，希望替钱学森争取到一张出入境许可证，这样当钱学森回到美国时，依然可以恢复原有身份。开始时，军方对于这种许可证的合法性也心存疑虑，但在战时的特殊情况下，他们对拿到许可证依然很有信心。果然，几天之后的4月23日，美国移民局发给钱学森一张特别许可证，允许他在返回时保留原有身份。与此同时，空军任命钱学森为上校，给了他一个专家顾问的头衔。
整个4月，钱学森想必和调查小组中的其他成员一样，忙于接种疫苗，申请军事通行证，打点行装。一份来自五角大楼的备忘录建议，除了携带个人物品，军事顾问团的成员还应携带小型急救包、手电筒、太阳镜、匕首，以及“送给金发女郎的小礼物，比如丝袜、口红、指甲油和备用的美军肩章”。这次旅行代号“欲望行动”（Operation Lusty），对此，冯·卡门的意见是“基本没戏，但听着不错”。4月底，钱学森在弗吉尼亚的砾石点（Gravelly Point）机场登上C-54运输机，飞往欧洲。
如果说钱学森之前还对这项工作的艰巨程度有所怀疑的话，没过几天，这种想法就被打消了。他的生活从来没有这样忙乱过，行程完全不可预测，很多时候刚睡醒从床上起来不久，他便发现自己已经身在吉普车中，正在向某个陌生的目的地进发。旅行路线并非从一个城市到另一个城市那么简单，地图上的行程乱得像一张蜘蛛网。穿着军装的钱学森一直在全欧洲不停地移动，从一个实验室到另一个实验室，从一所大学到另一所大学，从这一家到那一户。
钱学森参与审讯的第一个德国火箭专家便是大名鼎鼎的沃纳·冯·布劳恩（Wernher von Braun）。此前担任佩纳明德陆军研究基地[1]技术主管的冯·布劳恩，在该基地被苏军攻陷后向美军投降。5月5日，在慕尼黑附近的小镇科赫，钱学森见到了冯·布劳恩。关于此次会面却没有留下任何记录。
然而，此次会面却促成了一份极其重要的文件的诞生。在科赫，钱学森请冯·布劳恩动手准备一份关于以往火箭研究经验和对未来发展的个人展望报告。最终便得出了一份名为“德国液态推进火箭的发展与未来展望”（Survey of Development of Liquid Rockets in Germany and Their Future Propects）的报告。在这份报告中，冯·布劳恩描述道，未来的火箭将可以在40分钟内实现从欧洲到美国的飞行，卫星将能够在一个半小时之内环绕地球，并且由“漂浮在半空，身着潜水服的人”在太空中建设太空实验室。冯·布劳恩最异想天开的建议是在太空中用钢丝网挂起一面巨大的镜子，用它来反射阳光，烧毁敌军的城市，烤干湖泊和海洋。这份报告后来吸引了海军航空部的注意力，并最终促使美国着手制造人造地球卫星。
在某一次访问科赫的时候，钱学森还会见了鲁道夫·赫尔曼（Rudolph Hermann），著名的德国空气动力学家。赫尔曼完成了与V-2火箭有关的大部分理论工作，并曾领导一个设计超音速风洞的小组。多年以后，在赫尔曼的回忆录中，钱学森是美军科学顾问小组中唯一一个被赫尔曼提到的名字：
我记得其中一位钱学森博士，他是冯·卡门的贴身助手。之所以记得，是因为他曾写过一篇名为“超音速气流中的锥形体压力分布”的文章。他是唯一一个就这一题目给出完整理论的科学家。我们知道他的理论，因为这篇文章发表于战争结束两年前。在我们的风洞实验中，我们所使用的正是他的理论。我发现，在钱学森所在的国家，还没有人对他的理论加以实验，而我们却这么做了，因为我们拥有仪器设备，拥有超音速风洞，也拥有足够的科学家和工程师。
在布伦瑞克城外佛肯罗德镇附近的一片松树林中，小组成员有了或许是这次任务中最令人激动的发现。那是在赫尔曼·戈林（Hermann Goering）空气动力学研究所，冯·卡门在回忆录中写道：“这可真不得了。超过1000人在那里工作，但却没有关于这个研究所的一丝风声泄漏到盟军的耳朵里。”
在那里，50～60栋红砖砌成的二层小楼被种在屋顶的杂草和树木所隐藏。研究所里的设施包括一个口径8米的风洞，一个高速风洞，两个超音速风洞，一个武器实验室和一个工厂。大多数建筑物都被洗劫一空，但绝大多数仪器设备却仍完好无损。此外，美军使用金属探测器，还找到了上千份保存在铁盒中深埋地下的绝密文件。顾问小组就在赫尔曼·戈林研究所的房间里工作和休息。据钱学森的同事回忆，他对与火箭和炸药相关的文件尤为感兴趣。
在研究所里发现的一架有着三角形箭状机翼的飞机模型引起了热烈讨论。不过几个月以前，美国国家航空顾问委员会（NACA）的一名成员、流体动力学家罗伯特·琼斯（Robert Jones）刚刚提出过一个富有争议的理论，宣称这样的飞机可以突破飞行阻力，实现超音速飞行。钱学森及其朋友曾花上几个小时的时间热烈讨论此种设计理念是否可行。但现在，箭翼飞机模型的存在却表明，德国人不仅也想出了类似的理论，而且可能还通过实验得出了一些结果。
1945年，科学家们仍在与通常被称为“音速屏障”（sound barrier）或“音障”（sonic wall）的现象艰苦斗争。在速度接近音速的80%的仍能平稳飞行的飞机，再加速时便会突然遇到阻力的迅速增加，从而导致飞机失速下降。这种状况与高速汽艇所遇到的情形相似。就像高速汽艇会因为自身产生的水浪的压力而速度减缓，在接近音速时，飞机也会遭遇到空气阻力导致的锥状涡流。
琼斯发现，呈倒V字形的后掠翼可以缓和超音速气流的阻力，从而不会像平直型机翼那样令高速飞行的飞机失速。拥有此种机翼的飞行器甚至可能突破音障。钱学森曾于无意间对琼斯理论的早期形成产生了某些影响。1945年，罗伯特·琼斯仔细研读了钱学森发表于1938年的论文《倾斜旋转体上方的超音速》。在这篇论文中，钱学森指出，一个细长的抛射体在高速飞行时，几乎不会受到阻力的影响。琼斯将钱学森的公式应用于高速飞机上，并惊讶地发现，如果机翼纤细，则几乎不会出现阻力的影响。
1945年4月底，就在钱学森动身飞往欧洲前不久，琼斯将他关于后掠翼概念的报告提交给了美国国家航空顾问委员会的评审委员会。然而，评审者却对他的报告持怀疑态度。有人甚至建议琼斯用“真正的数学”取代这套“骗人的把戏”，将他的整个理论称为“诱饵和幻觉”。在会议进行中，琼斯向科学顾问委员会的一名成员乔治·谢勒（George Schairer）大吐苦水，而后者在飞往德国的途中又与钱学森谈及了此事。反复讨论后，钱学森和谢勒达成共识，琼斯在理论上是正确的，但他的发现却需要实验结果的支持。
美国人在赫尔曼·戈林研究所附近的一个枯井中发现了这些结果。德国人在这里埋藏了上百份关于火箭和空气动力学的秘密资料。尽管纸张略有受潮，内容却依然可读。它们被带到了哥廷根，在那里，美国科学家（其中包括钱学森在敢死队中的伙伴A. M. O. 史密斯）夜以继日地研究这些文件，将它们扫描、编目、制成胶片，以便运往美国。这些文件显示，著名的德国空气动力学家阿道夫·布斯曼（Adolf Busemann）在琼斯提出“后掠翼”理论10年以前，就已经提出了“箭翼”理论，但直到1942年，他的主张才得到认真对待。从那时起，德国科学家开始寻求实现超音速飞行的途径。
必须有人马上飞回美国，向军方相应主管部门报告箭翼的发现。因为顾问小组不相信可能被截获破译的邮件或电报，他们推选了乔治·谢勒担任特使。7月，乔治返回美国，随身携带了一张2000英尺长的微缩胶片。“二战”后不久，谢勒就为波音公司设计出了B-47型轰炸机，这是美国的第一架后掠翼轰炸机。
在德国，钱学森目睹了人性的种种可能：一个人既可以是创造性的天才，也会成为泯灭人性的刽子手。大约在5月上旬，钱学森很可能访问了北豪森附近的杜拉集中营。一同访问那里的顾问小组成员回忆道，在集中营上方的山崖上，有一座带有砖砌烟囱的小房子，旁边摆放着二三十副沾满鲜血的担架。在房子里面，是一大堆鞋子和衣物，以及用来从假牙上刮取黄金的锉子。集中营的幸存者不是瘦骨嶙峋，就是已经奄奄一息。他们来自波兰、苏联、捷克以及其他东欧国家。借助翻译之口，这些瘦得皮包骨头的幸存者对美国人说，要带他们去看“一些奇妙的东西……埋在山底下……非常重要”。
他们所指的正是隐藏在山下掩体工事里的V-2火箭制造厂。一条铁轨通向这个地下迷宫，其间的生产线绵延达数英里。在一个隧道中，躺着一艘完整的V-2火箭，还有一车厢接一车厢的火箭部件。这里的部件足以制造75艘V-2火箭，美国人用了整整300节火车车厢才将其运走。在这个地下工厂，工人们如奴隶一般制造着杀伤力巨大的V-2火箭。在1944年的伦敦轰炸中，它们扮演了重要角色。一名纳粹战犯将杜拉集中营称为“集中营中的地狱”。有人听到从奥斯维辛集中营转移到这里的一名犹太人如此评价：“和杜拉比起来，奥斯维辛的日子好过多了。”一位目击证人写道：“对于那些走进隧道的人来说，唯一离开这里的办法就是死后化为骨灰。”隧道中有两台充当焚尸炉的大型熔炉，在一年半的时间里，超过25000名制造导弹的工人死亡。在“二战”期间被送入杜拉集中营的60000名犯人中，半数以上未能幸存下来。
尽管钱学森是否真的到过杜拉集中营仍无法确认，但他的确曾经陪伴冯·卡门去过哥廷根。这是顾问小组成员在德国见到的第一个没有化为一片废墟的城市。在那里，哥廷根大学的研究带头人依次接受审问。冯·卡门的老师普朗特也在审讯者中。他原本棕褐色的胡子已经彻底变白了。“在我的记忆中，并没有出现大家携手叙旧、欢庆重逢的场面，”曾师从冯·卡门、当时列席了见面会的保罗·戴恩回忆道，“在某种程度上，冯·卡门显得有点儿冷漠。”多年以后，冯·卡门在回忆录中写道：“在比豪森见到的一切仍在我眼前栩栩如生。我一点儿都笑不出来。”
冯·卡门对他年轻时代的恩师居然罔顾纳粹政府以科学之名犯下的战争罪行而愤怒万分。看起来，普朗特只对美军意外炸毁了他家的房顶这件事耿耿于怀。与普朗特共事的其他人也同样毫无悔意。有人如此说：“如果我们一定要被什么人打败的话，那我宁愿胜利者是艾森豪威尔（Eisenhower）。他有一个不错的德国名字，那就不会错到哪儿去。”普朗特甚至向冯·卡门打听，他的研究经费来自美国哪个部门。冯·卡门在回忆录中这样描写此次会面：“我无法分辨，普朗特和他的同事们到底是天真得无可救药呢，还是愚蠢或是恶毒。我宁愿相信那是天真。”
钱学森似乎与冯·卡门一样对德国人充满反感。几年后，当他拒绝参加一场有德国科学家出席的午餐会时，据说曾这样说道：“我愿意向德国人学习，但不会跟他们一起吃饭。”
整个5月和6月，钱学森巡视了全德国和欧洲各地的风洞设施，并完成了多份关于德国喷气推进研究进展的报告。一些顾问小组成员准备动身前往日本，巡视那里的空气动力学设施。钱学森本应是其中之一，但由于某些未知原因，他并没有加入此次亚洲之行。相反，他于6月20日动身返回华盛顿。
从德国回来之后，钱学森重拾在加州理工学院的研究和教学工作。在多年不知疲倦的辛勤工作后，钱学森开始看到回报。1945年11月，钱学森被由助理教授提升为航空系副教授。与此同时，在1945到1946学年度，钱学森在“二战”期间的技术贡献转化成了3本主要出版物：专著《喷气推进》（Jet Propulsion），《开创新领域》（Toward New Horizons）系列报告，以及关于“超空气动力学”的论文。这些著作为美国的军方和学术界带来了深远影响。它们还确立了钱学森在航空学界可能仅次于冯·卡门的领军地位。
厚达800页的《喷气推进》一书由喷气推进实验室和古根海姆实验室的成员们为美国空军技术总署所撰写。钱学森担任这本书的编辑，负责将有关液态和固态推进火箭、热推进、引擎、推进辅助升空、热动力学、燃烧和空气动力学等问题的章节汇编起来。在这本书中，还包含有钱学森和其他加州理工学院教授在1943到1944学年度每周分发给来自军方的学生的讲义影印件。两年后的1946年，这一章已经成为军事工程师的基础必读材料。正如火箭小组早期发表的论文汇编后来被称为“圣经”一样，这本《喷气推进》也地位相仿。根据钱学森的同事艾伦·帕克特的讲述，在许多年中，这本书都是“美国关于喷气推进的最权威著作”。
当钱学森进行《喷气推进》一书的汇编工作时，冯·卡门也在与陆军航空部进行着类似的合作。1945年，冯·卡门为共分9章的《开创新领域》撰写了其中介绍性的两个章节，“我们在哪里”（Where We Stand）和“科学，空中优势的关键”（Science，The Key to Air Supremacy）。
在这两章中，冯·卡门对未来军事技术的预测令人兴奋——甚至有点可怕。他预见到超音速飞机的出现，并描述了可以在高空或大气层之外以17000英里每小时的速度飞行的无人驾驶火箭，其飞行距离可以长达10000英里——这是洲际弹道导弹的最早设想。冯·卡门甚至强调了使用核能推进火箭的可能性。他敦促军方拨出更多经费建立新的研究中心，从事这些项目的研发工作。
《开创新领域》的系列报告将冯·卡门所有设想的关键点均加以详述。其中讨论了空气动力学、飞行器设计、飞行器动力装置、飞行器燃料、火箭推进剂、制导火箭、无人驾驶飞行器、炸弹、终端弹道、雷达通信、飞行医学和心理学等话题。由科学顾问小组撰写的这份系列报告为现代空军的发展描绘出了蓝图。在钱学森的学生、后来出任空军副部长的约瑟夫·查里克的记忆中，“这是一个百宝囊，里面囊括了国防部在未来几年中将会考虑到的所有研发问题”。
钱学森也在《开创新领域》中给出了自己的看法和主张。钱学森至少执笔完成了这份报告中的6章，分别是高速空气动力学、脉动式喷射引擎、冲压引擎、固态和液态推进火箭以及超音速导弹。他将自己在德国和瑞士的发现加以总结，用了相当长的篇幅描述不同的风洞设施、后掠翼理论以及推进剂。他还详述了战争期间在加州理工学院和喷气推进实验室所进行的理论分析结果。
这些报告中最耐人寻味的一章是“使用核燃料作为飞行器推进动力的可行性”（Possibility of Atomic Fuels for Aircraft Propulsion of Powers Plants）。它恰好完成于美国向日本投射原子弹之后不久。钱学森计算出，核反应释放的能量大约是传统燃料的100万倍，并估算了使用核燃料作为热推进动力装置和火箭的可行性。他写道：“这种热值的激增意味着在所有的工程学实践中，能量消耗将缩减为可以忽略的微量，而一架核动力飞行器所能达到的距离几乎可以是无限的。”钱学森总结道，这样一个系统的优越性完全值得军方未来加以考察。
冯·卡门对钱学森的工作相当满意，因此出面担保，他会为他的爱徒在新成立的美国空军总司令部科学顾问委员会中争取位置。“年方36，钱学森已经是一个无可争议的天才，他的工作为高速空气动力学和喷气推进领域的进展提供了极大的推动力。出于这些原因，我提名他在科学顾问委员会中任职。”冯·卡门在回忆录中这样写道。
美国军方对钱学森的成就也同样印象深刻。1945年12月，美国陆军航空部长亨利·阿诺德将军为钱学森颁发了一张官方嘉奖状，表彰他在冲压式喷气机和火箭性能等领域“卓越而完备”的研究工作，以及在动力和核能领域“无价”的贡献。钱学森也受到了科学研究和发展办公室的詹姆斯·科南特（James Conant）和范内瓦·布什的嘉奖。第二年，陆军军械部也因钱学森从1939年9月到1945年9月之间、在协助创办喷气推进实验室中的“卓越表现”而对他通令表彰。
1946年5月20日，钱学森向《航空科学杂志》提交了一篇题为《超空气动力学及稀薄气体力学》（Superaerodynamics, Mechanics of Rarefied Gases）的论文。这篇发表于当年12月的论文或许是钱学森在美国时发表的最著名的论文。它的空气动力学家重新回头审视机翼上方的气流在大气层内达到最高值时的表现。空气不再是理想气体，而是彼此经常发生碰撞的快速移动的粒子的集合。在较低的高度，空气分子密度较高，气体因此可以被看成是平滑和连续的。但在高空中，当空气十分稀薄、气体分子分布稀疏之时，它们之间的碰撞便不那么频繁了。钱学森所做的，便是设计出了一整套全新的空气动力学公式，将空气的分子结构和气体粒子之间的平均距离等因素均考虑在内。这样，他就革命性地改变了空气动力学家思考高空高速飞行的方式。
“钱学森的文章最早向人们发出提醒——‘醒醒吧！醒醒吧！我们不能再将流体视为连续体了！’”航空工程师艾伯特·德·格拉芬莱德（Albert de Graffenried）回忆起这篇论文在当时的影响力时如是说，“它号召大家回归基本问题：空气不是一个连续体，它是由无数跳来跳去的‘小乒乓球’组成的。我们在这之后所取得的成果，如进入同温层和外太空等壮举，都以这篇论文为基础。”
这篇论文获得极大关注并被频繁引用。它奠定了钱学森作为美国最伟大的理论空气动力学家的地位。然而，即使在这篇论文发表前，1946年，钱学森的母校麻省理工学院已经决定向他发出召唤。麻省理工学院的航空系给了钱学森一个副教授的职位，并许诺随后转为终身教职。看起来，钱学森刚刚接到邀请时很犹豫了一阵。“我认为加州理工学院给他施加了相当大的压力，让他重新考虑。”1946年6月14日，杰罗姆·亨塞克在给麻省理工学院校长詹姆斯·基利安（James Killian）的信中如是写道。但最终，钱学森还是接受了邀请。
决定回到麻省理工学院是一个明智的选择。在美国的学术体系中，学院通常鼓励甚至要求学者在另一所学院获得某些经验后再取得全职教授的职位。“这是一个重要的转变，而钱学森接受了挑战，”加州理工学院的航空学教授霍默·乔·斯图尔特指出，“如果想要在自己的领域中有所成就，获取终身教职是极为重要的一步。”
还有其他重要原因促使钱学森接受来自麻省理工学院的聘书。他的朋友林家翘认为，钱学森重返麻省理工学院，是为了让自己真正成为一名火箭科学家。“钱学森很有远见，他明白，要想在火箭领域有所建树，他必须掌握一些加州理工学院之外的东西。当时，加州理工学院与麻省理工学院是一种竞争关系。加州理工学院长于结构和空气动力学，但在麻省理工学院，钱学森却能学到更多的关于仪表设备和控制系统方面的知识。”林家翘指出。
1946年夏天，钱学森忙着打点行装，准备奔赴新的岗位。1946年6月17日，他与冯·卡门以及另外20多名科学顾问出席了五角大楼的第一场科学顾问委员会会议。到了8月间，他正式辞去在加州理工学院的职位，并且终止了与喷气推进实验室的雇佣合同，将他所负责的研究分析部门的领导工作向同事霍默·乔·斯图尔特作了交接。这之后，他整装东去，重返那所10年前欢迎过他但又拒绝了他的大学。
[1] 位于德国西北部、毗邻波罗的海的德军秘密军事基地，V-1和V-2火箭便在这里诞生。