56年10月，郭永怀带着妻子和女儿回到祖国，出任力学所副所长。
钱学森与郭永怀最相知，1957年，当有关方面询问谁最适合担任我国核武器爆炸力学工作的人选时，钱学森推荐了郭永怀。
郭永怀为我国原子弹和氢弹事业贡献了全部心血乃至生命，1968年因飞机失事，不幸遇难，1999年被追认为“两弹一星元勋”。
1960年7月，正当我国仿制P-2导弹进行到最后阶段时，赫鲁晓夫下令撤走全部苏联专家，导弹研制遇到困难。毛泽东果断决定：自力更生，发展我国尖端技术。聂荣臻指示五院：“一定要争口气，依靠我们自己的专家，自力更生，立足国内，仿制P-2导弹决不能动摇，无论如何一定要搞出来。”
我国将仿制的P-2导弹称为“东风一号”，射程达590公里。1960年11月5日上午9时，“东风一号”在酒泉发射基地试射成功。聂荣臻在庆祝会上说，在祖国的地平线上，飞起了我国自己制造的第一枚导弹，这是我国军事装备史上的一个重要转折点。
大约一年半后，五院自行设计的中近程导弹“东风二号”进行首次试射，失败了。聂荣臻指示：失败了重在总结经验教训，不要追究责任，提出“五院在技术上应由钱学森当家”。经过多次大型地面和发动机试验，1964年6月29日，“东风二号”全程试射圆满成功。
3个月后，1964年10月15日，新疆罗布泊上空升起蘑菇云，中国第一颗原子弹试爆成功。16日深夜22时，中央人民广播电台广播了“中国第一颗原子弹爆炸成功”的消息。《人民日报》随即在北京各地散发了套红大字的《人民日报号外》。
美籍华人记者赵浩生曾写道：“在海外中国人的眼中，那蘑菇状烟云是怒放的中国民族的精神花朵；那以报纸、广播传出的新闻，是用彩笔写在万里云天的万金家书。”
在“东风二号”的研制过程中，聂荣臻提出要把它与核武器结合起来。他在1963年9月3日指示：“我们装备部队的核武器，应该以导弹为运载工具作为发展方向，飞机很难在现代条件下作为运载核武器的有效工具。”
但此时，“两弹结合”仍是一个梦想。
因为装到导弹上的核弹头，比起核航弹来，体积和重量都要大大缩小，要求也更加复杂和苛刻，研制难度很大。聂荣臻提议钱学森和钱三强共同主持这项工作。仅用一年多的时间，中国的科学家们就解决了导弹和核弹头结合的问题。下一步就是试验。
这是一项只能成功不许失败的试验。当初，美国、苏联搞类似试验，都是把弹头打到国土以外荒无人烟的海岛上，但中国只能打在自己的国土上，稍有差错，就相当于在自己的头上扔下一颗原子弹，将伤及祖国和人民。顶着这样的压力，钱学森在基地上连续工作了100多天。
1966年10月27日上午9时整，在酒泉导弹发射基地，核导弹喷射出橙黄色火焰，在巨大的轰鸣声中拔地而起，划破云霄，冲向蓝天，9分14秒时，精确击中目标。
第二天，即1966年10月28日，《纽约时报》的文章写道：“一位20年前在美国接受教育、培养、鼓励并成为科学名流的人，负责了这次试验，这是对冷战历史的嘲讽。1950～1955年的5年间，美国政府成为这位科学家的迫害者，将他视为异己的共产党分子予以拘捕，并试图改变他的思想，违背他的意愿滞留他，最后才放逐他出境，回到自己的祖国。”
外电评论，罗布泊的巨响震动了全世界，中国闪电般的进步像神话一样不可思议。
这一年，我国组建了战略导弹部队——第二炮兵。
天空中的中国星
苏联第一颗人造卫星上天后3个月，美国也发射了自己的第一颗人造卫星。
受到巨大鼓舞，钱学森、赵九章、陆元九等人积极倡导中国也造人造地球卫星。1958年5月17日，在中共八大二次会议上，毛泽东说：“我们也要搞一点人造卫星。”
这一年，中科院成立“中国科学院581工作小组”，以钱学森为组长，赵九章和卫一清为副组长，协调和计划研制人造地球卫星的工作。所谓“581”，表示研制卫星是中科院1958年的头号任务。
8月20日，聂荣臻在给中央的报告中首次正式提出卫星的事：“大型卫星上天是洲际导弹成功的公开标志，是国家科学技术水平的集中表现，是科学技术研究工作向高层空间发展不可少的工具……”
但由于受之后3年经济困难的影响等，卫星的研制被搁置了。1964年底，“两弹结合”试爆成功后，沉默许久的卫星又被提上党和国家的议事日程。
1965年1月，地球物理学家赵九章向周恩来递交一份建议书，谈到应
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