萌芽：参与美国早期航天科研的体会
1940年，贝尔电话实验室为建设横跨美国东西部的微波通信网，首次使用“系统工程”（Systems Engineering）这个术语。当时贝尔电话实验室的工程师们发现，用可靠的元器件并不一定能够组成可靠的系统。[1]第二次世界大战结束后，很多美国学者开始研究与系统工程相关的问题。1953年，美国宾夕法尼亚大学率先开设了面向研究生的系统工程课程。从1940年到1953年，钱学森都在美国从事科研工作，正好见证系统工程如何成长为一门显学。
系统工程概念的基础是系统概念。系统是指由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。钱学森对系统工程的探索与实践是从他在美国研制火箭导弹起步的。火箭和导弹本身就是一个人造系统，而研制火箭和导弹的团队构成了一个社会系统。旅美期间，他从研制最简单的火箭助推器开始，发展到研制射程达140千米的“中士”导弹；从加入只有五个人的加州理工学院火箭研究小组起步，到参与组织领导规模庞大的喷气推进实验室（JPL）。在参与主持研制美国早期火箭导弹的过程中，钱学森接触到越来越庞大、越来越复杂的人造系统和社会系统，逐渐认识到科研工作中组织管理的重要性。
1937年春，钱学森应邀加入由同学弗兰克·马林纳发起的加州理工学院火箭研究小组，负责理论计算。当时火箭研究小组包括钱学森在内只有5个人，分别是弗兰克·马林纳、阿波罗·米尔顿·奥林·史密斯、约翰·帕森斯、爱德华·福曼和钱学森。同年6月，加州理工学院天体物理系研究生韦尔德·阿诺德加入火箭研究小组。因为火箭研究小组的实验多次发生爆炸事故，所以在校园内一度被称为“自杀俱乐部”。1938年5月，火箭研究小组研制成功能够工作1分钟的火箭发动机。不久之后，美国陆军航空兵的亨利·阿诺德将军对加州理工学院进行了一次意外访问，考察了火箭研究小组的工作成果，开始考虑将火箭应用于国防的可能性。同年秋，在美国国家科学院陆军航空兵研究委员会的小组会议上，加州理工学院接受了关于使用火箭辅助重型轰炸机起飞的研究项目。美国陆军航空兵委托加州理工学院研制火箭助推器的主要目的是帮助重型轰炸机从太平洋小岛的短跑道上起飞。1938年底，阿诺德和史密斯因故先后离开火箭研究小组，帕森斯和福曼又经常失踪。有一段时间，火箭研究小组只剩下马林纳和钱学森在苦苦支撑。
1940年，钱学森被迫脱离了火箭研究小组的工作，因为他没有美国国籍，无法得到必要的保密许可证。1941年，马林纳建议加州理工学院火箭研究小组成立一家制造火箭助推器的公司（即美国航空喷气工程公司），并将产品卖给军方。在创办该公司时，钱学森参与了一些外围工作。美国航空喷气工程公司成立后，他被聘为技术顾问。1941年12月7日太平洋战争的爆发使中国和美国成为盟友。为了满足战争对科技人员的特殊需求，美国军方放松了对外籍科学家的限制，再加上冯·卡门的极力推荐，钱学森于1942年12月1日正式获得保密许可证，得以重新加入马林纳领导的科研团队，参与所有涉及机密合同的研究工作。此时马林纳手下已经有超过80个人，而美国航空喷气工程公司已经拥有120名员工。不久之后，钱学森敏锐地意识到，美国应该设立一个名称叫“喷气式武器部”的新机构，专门负责研制导弹。当时他还指出，控制导弹与操纵常规武器的技术要求完全不同，因此必须由军事部门的一个新组织，以崭新的思想方式进行管理。[2]
为了应对德国V-2导弹的威胁，1943年11月，冯·卡门在马林纳和钱学森的支持下，向美国军方提议成立一个新的研究机构——喷气推进实验室，在政府的资助下研制远程导弹。1944年1月，美国陆军军械部同意了冯·卡门的建议，并愿意每年资助不超过300万美元。同年2月，加州理工学院校董事会批准了名为“ORDCIT”（军械部与加州理工学院的合同）的项目计划。与此同时，喷气推进实验室拟出了一份远程导弹研发项目的人事架构草图。领导小组由冯·卡门、马林纳、克拉克·密利根等人组成。在“加州理工学院研究与基础设计”分部之下，另设4个小组：弹道组、材料组、推进组和结构组。在最初的组织关系图中，钱学森被指派为推进小组的负责人，并与霍默·约瑟夫·斯图尔特共同管理弹道小组。这是他首次被任命为一个科研团队的领导。
1944年6月，加州理工学院从美国陆军获得了研制“ORDCIT”火箭的合同以及10万美元。此外，还有一个价值360万美元的后续合同。7月1日，喷气推进实验室与研制导弹相关的工作正式开始。这项工作分为4个主要研究领域，其中规模最大、能获资助最多的是JPL-4项目。JPL-4项目的最终目标是研制一种能够运载450千克炸药的导弹，最大射程240千米，误差不超过5千米。冯·卡门和马林纳等计划首先研制一种小型固体推进剂火箭，并将其命名为“列兵”系列，接着研制使用液体推进剂的大型导弹，并将其命名为“下士”系列。他们还计划对导弹逐步改进，给那些改进过的导弹赋予高一级的军衔，直到“上校”为止。
导弹研制工作正式启动时，喷气推进实验室中共有9个研究小组：研究分析、水下推进、液态燃料、固态燃料、材料、推进剂、工程设计、研究设计以及远程控制。钱学森担任研究分析小组组长，由此开始担任科研团队的组织领导者，不再只是被组织者和被领导者。在喷气推进实验室，钱学森负责的第一项任务是“列兵A”型导弹的研制工作。当时有十几位科学家在钱学森手下工作，其中一半是擅长应用数学的力学家，包括林家翘、钱伟长、郭永怀等中国留学生，另一半是电子学家。每周三下午，钱学森都要到加州理工学院航空系大楼或天文系大楼，与其他的小组负责人一起开会。通过交流，钱学森等小组负责人都意识到，小组负责人必须充分了解每一个小组成员的专长，同时必须亲临发射现场参加测试活动。(https://www.daowen.com)
1944年12月，“列兵A”型导弹在加利福尼亚州莫哈韦沙漠发射成功。在24次试飞后，这型导弹的最大飞行距离达37千米，最高到达了离地面4.4千米的高空。钱学森还参与了“列兵F”型导弹和“女兵下士”火箭的研制工作。“列兵F”型导弹是根据钱学森在1943年作出的预测设计的。当时他指出，如果在弹体身上增加额外的弹翼，导弹的飞行距离可以增加50%。1945年4月，“列兵F”型导弹在得克萨斯州布里斯堡进行了17次测试，但是每次都因为缺乏有效的导弹控制系统致使旋转失去控制。“列兵F”型导弹的失败对钱学森的影响不容忽视，这使他认识到导弹控制系统的复杂性和重要性。“女兵下士”火箭是一种高4.9米的液体推进剂探空火箭，于1945年9月26日至10月25日在新墨西哥州白沙导弹试验场进行了多次发射试验。在1945年10月11日的试验中，一枚“女兵下士”探空火箭的飞行高度达到72.8千米，超出了设计指标。
1944年9月，亨利·阿诺德将军委托冯·卡门召集一批科学家，帮助美国国防部绘制未来20至50年美国航空航天技术的发展蓝图。同年10月，冯·卡门从加州理工学院请假离开，正式出任美国陆军航空兵科学顾问。1944年底，冯·卡门邀请钱学森前往华盛顿担任他的助手。在1944年底1945年初，钱学森辞去喷气推进实验室研究分析小组组长职务，前往五角大楼担任美国陆军航空兵科学顾问。根据阿诺德将军的指示，钱学森在1945年2月至4月访问了美国无线电公司（RCA）实验室、美国航空顾问委员会（NASA的前身）、喷气推进实验室（JPL）和其他研究机构，充分掌握了美国航空航天技术的发展动向。同年3月，阿诺德将军建议冯·卡门组织一个由顶尖科学家组成的调查小组，赴欧洲考察航空和航天科技。同年4月至6月，钱学森跟随冯·卡门作为调查小组成员赴欧洲考察，重点考察了德国的空气动力学和喷气推进技术的进展情况，与冯·布劳恩、鲁道夫·赫曼等德国导弹技术专家进行了会谈。从德国返回美国后，钱学森参与撰写了名为《迈向新高度》（Toward New Horizons）的系列报告，获得美国国防部的高度评价。在美国国防部的工作经历使钱学森能够从美国空军和美国航空航天事业发展全局的高度来看待科学技术研究的组织和规划问题，而不再局限于某个具体的火箭导弹型号研制任务。
钱学森通过实地考察发现V-2导弹最大的缺陷在于落后的制导技术导致命中精度很低。在二战中，德军向伦敦发射了2 000枚V-2导弹，却只有1 230枚落入市区。基于从事导弹研究的丰富经验，钱学森认识到解决控制和制导问题将成为突破导弹技术的关键，于是开始潜心研究自动控制技术。1946年夏，他经过慎重考虑，接受了麻省理工学院航空工程系的邀请，去当副教授。林家翘回忆说：“钱学森很有远见，他明白，要想在火箭领域有所建树，必须掌握一些加州理工学院之外的东西。当时，加州理工学院与麻省理工学院是一种竞争关系。加州理工学院长于结构和空气动力学，但在麻省理工学院，钱学森却能学到更多关于仪表设备和控制系统方面的知识”。[3]1947年3月，钱学森晋升为麻省理工学院正教授。在麻省理工学院任教期间，他成为新成立的美国空军科学顾问委员会（SAB）的空间交通工具小组成员。
1948年，古根海姆基金会决定在加州理工学院和普林斯顿大学设立两个喷气推进中心。这两个研究中心都邀请钱学森担任主任。同年10月，钱学森最终决定接受加州理工学院新任校长李·杜布里奇（Lee Alvin DuBridge）的邀请，出任该校古根海姆喷气推进中心（JPC）主任并被冠名为“罗伯特·戈达德教授”。[4]加州理工学院向钱学森提供1万美元的年薪，以及额外的用于招募年轻科学家和助手的研究经费。在加州理工学院古根海姆喷气推进中心，有一个年轻科学家和三个研究生或博士后来协助他开展工作。这是钱学森首次成为一个独立的科研和教学机构的组织管理者。
1949年6月，钱学森重返加州理工学院，主持古根海姆喷气推进中心，直到1955年9月回国。此时，他与20世纪30年代的冯·卡门一样，身兼数职，既是科学家，又是教授，还是管理者。钱学森在加州理工学院古根海姆喷气推进中心主任这个职位上不仅做得游刃有余，而且使这个中心成为美国工程系统工程的重要发源地。在设置喷气推进中心课程时，他根据喷气推进技术的跨学科特征，运用综合集成的思想，同时安排了航空工程、化学工程和机械工程的课程。在加州理工学院古根海姆喷气推进中心以外，钱学森还担任喷气推进实验室顾问。当时，喷气推进实验室正在加紧研制使用固体推进剂的“中士”导弹，并且完成对使用液体推进剂的“下士E型”导弹的测试。此外，他每个月还抽出三个周一，为美国航空喷气工程公司提供咨询服务。此时这家公司已经成长为一个拥有上千名职员的大企业。钱学森表现出卓越的组织管理能力，把科研和教学工作安排得井井有条，在本职工作和兼职工作之间自如地维持着平衡。
20世纪40年代，钱学森由于杰出才能和重要贡献，在美国航空和火箭导弹研制中担任重要角色，获得了形成和发展系统工程思想的有利条件。但是像“曼哈顿计划”这样的工程项目是不可能交给钱学森这样的外国人来主持的，因而他无法得到应用系统工程这种使用崭新方法的百年难逢的机遇，不具备在创建这一崭新工程技术中做出一流成绩的客观条件。[5]“曼哈顿工程”集中了当时西方国家（除纳粹德国外）最优秀的核科学家，动员了10万多人参加，历时3年，耗资20亿美元。在工程执行过程中，负责人莱斯利·理查德·格罗夫斯和罗伯特·奥本海默应用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。这一工程的成功促进了第二次世界大战后系统工程的发展。
