卡门合作空气动力学研究，他和马林纳的合作则发现了固体燃料问题的解决办法。
这一年的9月，钱学森的论文Two-Dimensional Subsonic Flow of Compressible Fluids发表在《航空科学期刊》上，这是一篇注定要成为经典的论文，它代表了他在加州理工学院的最重要的科学工作。这篇论文引出了著名的“卡门—钱压力修正公式”，在今后几十年的时间里，世界各地的工程师们借助于这个公式设计高速飞机。
1940年，火箭小组在火箭燃料问题上取得重要成就。这时，欧洲战场愈演愈烈，德国对荷兰和法国等不设防城市实施狂轰滥炸。美国开始首次全国征兵，5月，罗斯福总统号召每年生产5万架飞机。政府开始大规模召集科学家。
1941年12月7日清晨，日本海军突然袭击美国海军在夏威夷等地的机场，太平洋战争爆发，美国卷入第二次世界大战。冯·卡门深信钱学森的价值，安排他获得美国政府颁发的安全执照，从事保密军事研究项目。
1943年夏的一天，美国陆军军械署请冯·卡门鉴别3张空中拍摄的机密照片。这是一件令人惊奇的事：尽管以前从来没见过这么大型的设施，但冯·卡门认为，这是3张德国导弹发射装置的照片，是德国新式大型导弹的明显证据，因此催促军械署赶快对它进行仔细研究。
冯·卡门料事如神。这枚取名为复仇二号(V-2)的德国火箭是在首席火箭专家冯·布劳恩的领导下，于1942年成功地从德国本土射到波罗的海，成为全世界第一枚可袭击远程目标的弹道导弹。二战期间，德国向英国、法国和比利时发射了3000多枚V-2导弹。
这时，美国陆军航空兵驻加州理工学院联络官乔英特上校，请马林纳和钱学森写一份远程导弹潜在能力的研究报告。1943年11月20日，冯·卡门在这份报告中附了一份备忘录，强调立即动手制定远程导弹发展计划的重要意义。“我坚信，我们的建议是美国导弹计划的第一份正式记录，也是正式使用喷气推进实验室名称的第一份文件。”冯·卡门说。
1944年6月，德国V-2火箭袭击伦敦，那年夏天到冬天，钱学森在喷气推进实验室负责导弹研制工作，12月，美国第一枚军事导弹“士兵A”试射成功。钱学森还对探空火箭“女兵下士”的研究作出重要贡献，1949年2月，“女兵下士”从改装的V-2火箭顶部发射，最大飞行高度达358公里，从而成为美国第一枚进入外层空间的火箭。1953年，“下士”导弹最后定型，成为美国武装部队用于实战的远距离战术火箭武器。
二战结束前夕，安诺德将军将冯·卡门请到五角大楼，请他选择一批科学家，共同制定20年、30年以及50年的航空研究发展规划。钱学森是他推荐的专家之一。
“钱是加州理工学院的火箭小组元老，第二次世界大战中为美国的火箭研制作出过重大贡献，36岁时已经是一位公认的天才，他的研究工作大大推动了高速空气动力学和喷气推进技术的发展。有鉴于此，我举荐他为空军科学顾问团成员。”冯·卡门写道。
1945年3月，大战临近尾声，安诺德将军希望冯·卡门带队，“到德国去找出能反映德国科研发展实际水平的第一手资料”，并给他一个少将虚衔。5月，“少将”冯·卡门带着“上校”钱学森、瓦尔登夫、夏伊勒和德莱顿，飞向欧洲。
在德国，他们稽查了希特勒的秘密技术，考查了著名的柯切尔和奥茨托风洞，并审查了德国火箭科学家冯·布劳恩、鲁道夫·霍尔曼和路德维希·普朗特尔等人。冯·卡门后来回忆道：“我突然意识到这次会面多么奇特，一个是我的高徒，他后来返回中国，把自己的命运和红色中国连接在一起；另一个是我的导师，他曾为纳粹德国卖力工作。境遇多么不可思议，竟将三代空气动力学家分隔开来，天各一方。”
事实上，大战后，美国和苏联极力夺取V-2导弹，以发展各自的火箭力量，美国陆军把掠夺来的德制V-2火箭，在俘获过来的冯·布劳恩的指导下，进行了多次组装试射，之后使用美制零件进行改良设计；前苏联也把掠夺来的德制V-2零件做组装试射，一年后自装一枚V-2火箭，取名为R-1火箭。从此，美苏两国开启了冷战时期的空间大战。
“无一日一时一刻不思归国”
1947年5月，35岁的钱学森成为美国麻省理工学院历史上最年轻的正教授之一。
不久后，他收到家信，得知母亲去世，决定回去看望父亲。同年7月，他抵达上海，这也是他12年来首次回国。他在上海交通大学、浙江大学和清华大学分别作了演讲。演讲中，他鼓励工程系的年轻学生成为一名科学家，而不是高薪水的技术人员。
他这样描述大学的博士学位训练：“
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