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1956年2月17日，钱学森经过深思熟虑，提出了关于《建立我国国防航空工业的意见书》，就我国火箭、导弹事业的组织方案、发展计划和具体措施发表了精辟的见解。《意见书》受到党中央高度重视。不久，钱学森受命负责组建我国第一个火箭、导弹研究机构———国防部第五研究院。10月8日———这正是钱学森回国一周年的日子，国防部五院宣布成立，钱学森被任命为院长。新中国的火箭、导弹和航天事业由此开始了艰难的征程。新事业起步，千头万绪。钱学森首先给刚刚分配来的156名大学生讲授《导弹概论》，让这些从未见过导弹的技术人员了解最基本的专业知识。他拟定了空气动力学、发动机等有关专业的学习计划，并指导建立了导弹总体、空气动力学、发动机、弹体结构等研究室。 酒泉发射场。钱学森和普通科技人员一样，睡帐篷、吃粗粮，组织导弹试验的测试、计算、分析、研究。在前苏联突然撤走全部专家的困难条件下，他带领着中国科学家们攻克了一道道难关，于1960年11月5日，成功进行了我国第一枚导弹飞行试验。在现场的聂荣臻高兴地说：“这是我国军事装备史上一个重要的转折点。”1966年10月27日，钱学森又参与组织了我国第一枚装有核弹头的中近程地地导弹飞行爆炸试验，即原子弹、导弹“两弹结合”试验。核弹头在预定地点上空成功实现了核爆炸，此举震惊了世界。我国的国防现代化建设又一次实现了历史性跨越。 作为一代伟大的科学家，钱学森的目光总是具有前瞻性。第一枚导弹发射成功后不久，钱学森就组织有关专家就我国地地导弹的发展道路展开讨论，形成《我国地地导弹发展途径的意见》，提出了我国中近程、中程、中远程和洲际导弹的长远发展规划。随后，地空导弹、海防导弹，以及固体发动机、固体导弹、反导系统和运载火箭等项目，也在他组织和协调下陆续上马。1965年1月，他又向中央提出报告，建议早日制订我国人造卫星的研究计划并列入国家任务。我国第一颗人造卫星的工程代号由此被定为“651工程”，钱学森担负“星———箭———地面系统”总的技术协调和组织实施工作。1970年4月24日，我国第一颗人造卫星“东方红一号”遨游太空，向世界宣告新中国迎来了航天时代的黎明。
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