1949年10月1日，新中国的成立使客居美国的钱学森心潮澎湃，10多年的辛勤准备，终于到了报效祖国的时候。他向夫人蒋英说：“祖国已经解放，我们该回去了。”那时，钱学森已是世界著名科学家，夫人蒋英也在音乐界享有声誉。但祖国的召唤，使他们毫不犹豫地放弃了优越的一切。
1950年8月，钱学森一家人准备乘坐加拿大班机离开美国。但是，美国国防部以莫须有的罪名通过海关扣留了他。之后，美国司法部签署了逮捕令，钱学森失去了自由。在美国工作的10多年间，钱学森为美国航空和火箭技术的发展做出了重要贡献。美国专栏作家密尔顿·维奥斯特曾写道：“钱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。”因此，当得知钱学森要回国时，美海军部副部长立即给司法部打电话：“无论如何都不要让钱学森回国，他太有价值了！”“宁可毙了他，也不要放他回国。”钱学森没有屈服。在失去自由的日子里，他一方面继续着自己的科学研究，一方面坚持斗争，寻找回国的时机。
1955年5月，他从海外华人报纸上看到一则关于中国庆祝“五一”劳动节的报道，其中有他家熟悉的世交陈叔通和毛主席一起在天安门城楼检阅游行队伍的消息。钱学森立即给陈叔通写了一封请求祖国帮助他回国的信，夹在蒋英写给她在比利时的妹妹的信里，悄悄地寄了出去。陈叔通接到信的当天，就把信送交给周恩来总理。当时，中美正在日内瓦举行大使级会谈。王炳南大使根据总理的指示与美方交涉。开始，美方不承认扣留了任何中国公民，但当王大使拿出钱学森的信时，美方才哑口无言。最后，美国政府只得无奈地允许钱学森回国。在美国的20年里，钱学森一直保留着中国国籍。他回忆说：“我在美国那么长时间，从来没想过这一辈子要在那里呆下去。我这么说是有根据的。因为在美国，一个人参加工作，总要把他的一部分收入存入保险公司，以备晚年之后用。我一块美元也不存，许多人感到奇怪。其实没什么奇怪的，因为我是中国人，根本不打算在美国住一辈子。”
1955年9月，钱学森全家登上克里夫兰总统号轮船回国。行前，他去向他的老师、世界力学大师、美国超音速之父冯·卡门告别，并把自己的新著《工程控制论》送给了老师。冯·卡门翻看了书后对钱学森说：“你现在在学术上已经超过我了！
