钱学森到美国进入麻省理工学院航空系，学习成绩一直名列前茅。学工程要到工厂去实践，可当时美国航空工厂歧视中国人，所以一年后他开始转向航空工程理论，即应用力学的学习。1936年10月他转学到加州理工学院。
钱学森是慕名而来的。因为，坐落在洛杉矶市郊帕萨迪纳的加州理工学院航空系，有一位大名鼎鼎的空气动力学教授冯·卡门，是匈牙利人,西奥多·冯·卡门是20世纪最伟大的科学家之一。我国著名科学家钱学森博士是他的学生，并尊称冯·卡门是“全世界闻名的工程力学和航空技术权威”。冯·卡门在一生艰苦研究的基础上，对航空航天技术的发展有过很多重要的预见，后来都一一成为现实，例如超声速飞行、远程导弹、全天候飞行、卫星……
冯·卡门抬头仔细打量着这位仪表庄重、个子不高的年轻人，他提出几个问题让钱学森回答，钱学森稍加思索便异常准确地回答了他的所有提问。冯·卡门暗自赞许：这个中国人的思维敏捷而又富于智慧。他高兴地收下了这位学生。1945年初，钱学森成为以冯·卡门为团长的空军科学咨询团的成员。德国投降后，他随该团的考察小组到欧洲考察航空和火箭技术。1947年初，36岁的钱学森成为麻省理工学院的正教授。在受监控期间，除教学外他仍未放弃学术研究，1953年发表了《从地球卫星轨道上起飞》，为低推力飞行力学奠定了基础，并于1954年出版了《工程控制论》一书。1955年回国前他向冯·卡门告别时,冯·卡门激动地说：“你现在在学术上已超过了我!”
钱学森成为卡门领导的古根罕姆航空实验室的一名研究生。这个实验室后来成为美国火箭技术的摇篮，钱学森就是在这里进行火箭技术研究最早的三名成员之一。
学习和研究工作是非常紧张的，钱学森每天工作十几个小时，半天时间看书，半天时间讨论，晚上继续苦战。3年后，他以优异成绩获博士学位并留校任教，成为冯·卡门的得力助手。这期间，他不仅掌握了空气动力学的根本知识，而且已经站到了这门科学的最前沿。1939年，他研究航空结构，只用了一年时间，就取得了突破性的成就。
到加州理工学院的第二年，钱学森认识了研究火箭技术的同学F·J·马林纳。经马林纳介绍，钱学森参加了当时加州理工学院的马列主义学习小组，得识该小组的书记、化学物理助理研究员威因鲍姆。在小组里，钱学森同大家一起学习过恩格斯的《反杜林论》；每星期例会经常讨论时事。1938年冬，第二次世界大战爆发后，这个小组解散。
鉴于钱学森研究工作的出色成绩和美国战时军事科学研究的需要，他得以参加机密性工作。1944年，美国军方委托冯·卡门教授为首，马林纳为副，大力研究远程火箭。钱学森负责理论组，把林家翘、钱伟长也请了来，进行弹道分析、燃烧室热传导、燃烧理论研究等工作。与此同时，钱学森还担任了航空喷气公司的技术顾问。1945年初，他还被美国空军聘为科学咨询团团员。这一时期，他取得了在近代力学和喷气推进的科学研究方面的宝贵经验，成为当时有名望的优秀科学家。
第二次世界大战结束时，美国空军高度赞扬钱学森为战争的胜利作出了“巨大的贡献”。美国专栏作家密尔顿·维奥斯特认为，钱学森已是“制定使美国空军从螺旋桨式向喷气式飞机过渡，并最后向遨游太空无人航天器过渡的长远规划的关键人物”，“是帮助美国成为世界第一流军事强国的科学家银河中一颗明亮的星”。
1946年暑期，钱学森离开加州理工学院，再到麻省理工学院任副教授，专教空气动力学专业的研究生。1947年初，36岁的钱学森成为麻省理工学院的终身教授。同年夏季，钱学森请假回国探亲，9月中和蒋英（现中央音乐学院教授）结婚。蒋英是中国早期著名军事理论家蒋百里的三女儿，是在维也纳和柏林受过良好的音乐教育的女高音声乐家。
从1935年到1955年，钱学森在美国整整居住了20年。这期间，他在学术上取得了辉煌的成就，生活上享有丰厚的待遇，工作上拥有便利的条件。然而，他始终眷恋着生他养他的祖国。他在写给父亲的信中，不止一次地发出“旅客生涯作到何时”的感叹。
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