空气动力学 

1938年，钱学森与冯·卡门合作进行的可压缩流动边界层研究，揭示了即使一个运动的热体与外界冷空气在某一飞行马赫数时有相当的温度差，对物体的冷却仍逆变为加热。

钱学森在1939年发表了关于可压缩流体二维亚声速流动的研究结果，冯·卡门在1941年发表了关于空气动力学中压缩效应的研究成果。他们对翼上的压缩作用，共同提出了一个更普遍一些的修正，不用扰动很小这一假设，而是基于经过他们修正的流动方程的另一种线性化，使它能应用于高速流动，特别是应用于计算作用在翼型上的诸力。卡门－钱学森方法能给出某一速度范围内的满意结果。

钱学森与郭永怀合作，最早在跨声速流动问题中引入上下临界马赫数的概念。

固体力学　

早年薄壳结构理论有一个谜，如圆柱形薄壳受轴向负载时，其理论失稳值远大于实测数，差3至4倍。为解决这个问题，从1940年开始，钱学森与冯·卡门合作，对飞机金属薄壳结构非线性屈曲理论的研究取得了一系列成果，包括外部压力所产生的球壳的屈曲，结构的曲率对于屈曲特性的影响，受轴向压缩的柱面薄壳的屈曲，有侧向非线性支撑的柱子的屈曲，以及曲度对薄壳屈曲载荷的影响等。结果说明过去理论的缺点在于忽视了大挠度非线性影响。

喷气推进与航天技术

加州理工学院古根海姆航空实验室的火箭研究，是马林纳、钱学森和其他热心于火箭的人于20世纪30年代后期开始的。1936年，钱学森参加马林纳领导的火箭研究小组，在冯·卡门指导下，与马林纳等一起研究火箭发动机的热力学问题、探空火箭问题和远程火箭问题等，并参与了美国早期用可储存液体推进剂的几种试验性火箭，如1945年“女兵下士”探空火箭和后来的“下士”导弹研制工作。1949年，钱学森担任加州理工学院新设的古根海姆喷气推进中心主任及“戈达德”教授，专授火箭技术及喷气推进技术课。在1949年，钱学森提出了火箭旅客飞机概念和关于核火箭的设想。

工程控制论 　　

20世纪50年代初，钱学森对第二次世界大战后迅速发展的控制与制导工程技术实践进行全面观察时，具有比旁人更敏锐的眼光去发现、提炼出指导控制与制导系统设计的普遍性概念、原理、理论和方法，从而创建了作为一门技术科学的《工程控制论》。第一版《工程控制论》原是用英文写的，1954年由麦克劳·希尔图书公司在美国出版。书中所阐明的基本理论和观点，一方面奠定了工程控制论的基础，另一方面指出了进一步研究的方向，对自动化科学技术理论的进展起了重要作用。工程控制论从深度与广度上推动了电子计算机技术革命、核能技术革命、航天技术革命和光子技术革命的发展。

物理力学

钱学森在1946年将稀薄气体的物理、化学和力学特性结合起来的研究，是先驱性的工作。1953年，他正式提出物理力学概念，主张从物质的微观规律确定其宏观力学特性，改变过去只靠实验测定力学性质的方法，大大节约了人力物力，并开拓了高温高压的新领域。1962年他编著的《物理力学讲义》正式出版。

系统工程

钱学森运用并发展了他在喷气推进工作中获得的经验，从20世纪50年代后期中国航天计划开始实施的时候起，他就和广大干部、科技人员在周恩来总理和聂荣臻主任领导下，把当时苏联航空技术发展中的总体设计部和我国行政组织管理的实际结合起来，这也就是今天称为航天系统工程的组织管理。钱学森不仅将我国航天系统工程的实践提炼成航天系统工程理论，并且在80年代初期提出国民经济建设总体设计部的概念，还坚持致力于将航天系统工程概念推广应用到整个国家和国民经济建设中。从1978年春天开始，钱学森为促进运筹学、系统工程、系统分析在我国的发展，作出了重要的贡献。他先后在北京、成都、昆明、长沙发表了一系列学术讲演。这些讲演的主要见解，后来集中表达在1978年9月27日公开发表的论文《组织管理的技术——系统工程》中。这篇论文对运筹学、系统工程和系统分析科学活动在中国的繁荣，产生了十分积极的影响。钱学森等著的《论系统工程》在1982年11月出版，增订版在1988年10月出版。

系统科学

钱学森对系统科学最重要的贡献，是他发展了系统学和开放的复杂巨系统的方法论。20世纪70年代末，钱学森理清了当时系统科学领域术语、概念和学科划分混乱的局面，揭示这个新学科的有序结构，并围绕系统学的创建，提出了许多创新思想和重要概念。钱学森在1989年指出，实践已经证明，现在能用的、唯一能有效处理开放的复杂巨系统（包括社会系统）的方法，就是从定性到定量的综合集成方法，这个方法是在复杂巨系统研究实践的基础上，提炼、概括和抽象出来的,就其实质而言，是将专家群体（包括各种有关专家）、数据和各种信息与计算机技术有机地结合起来，把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来。这个方法应用的成功，就在于发挥了这个系统的整体优势和综合优势。钱学森的系统科学思想，使人们认识到开放的复杂巨系统具有科学与经验相结合的本质，并指导人们运用一种科学的途径去寻求科学与经验相结合的解答。

思维科学 　　

在20世纪80年代，人工智能已成为国际上的一大热门，但学术思想却处于混乱状态。在这样的背景下，钱学森站在科技发展的前沿，提出创建思维科学这一科学技术部门。钱学森认为思维科学是处理意识与大脑、精神与物质、主观与客观的科学，是现代科学技术的一个大部门。推动思维科学研究的是计算机技术革命的需要。钱学森把思维科学划分为思维科学的基础科学、思维科学的技术科学及思维科学的工程技术三个层次。思维科学的基础科学是研究人有意识的思维规律的学问，称为思维学。钱学森主张发展思维科学要同人工智能、智能计算机的工作结合起来。他以自己亲身参与应用力学发展的深刻体会，指明研究人工智能、智能计算机应以应用力学为借鉴，走理论联系实际，实际要理论指导的道路。钱学森把系统科学方法应用到思维科学的研究中，提出思维的系统观，即首先以逻辑单元思维过程为微观基础，逐步构筑单一思维类型的一阶思维系统，也就是构筑抽象思维、形象（直感）思维、社会思维以及特异思维（灵感思维）等；其次是解决二阶思维开放大系统的课题；最后是决策咨询高阶思维开放巨系统。

科学技术体系与马克思主义哲学 　　

钱学森认为，马克思主义哲学是人类对客观世界认识的最高概括，也是现代科学技术（包括科学的社会科学）的最高概括，它的核心是辩证唯物主义；而历史唯物主义、自然辩证法、认识论则与辩证唯物主义不在同一层次，不是并列关系。因此，全部科学、理论都应坚持以马克思主义哲学为指导，不能违背马克思主义哲学的基本原理，这就是马克思主义哲学应具备的高度概括性。同时，又不能把马克思主义哲学作为万古不变的教条，要不断以各门具体科学的成果来丰富、完善、发展马克思主义哲学。钱学森关于马克思主义哲学更具概括性与开放性的观点，扩展与深化了马克思主义哲学的基本特征，使之更具有无限生命力。 　　

基于对马克思主义哲学基本特征的如此理解，以及对于世界科学技术发展现状的研究，钱学森自1978年以来，运用系统科学的观点与方法，逐步形成了一个现代科学技术体系与马克思主义哲学的整体构想；他将整个体系从纵向分为三个层次，最高层次是马克思主义哲学，也就是辩证唯物主义，最下面的层次是现代科学技术十一大部门，其间通过十一架“桥梁”把马克思主义哲学与十一大科学技术部门联在一起。从横向来看，这十一大科学技术部门是：自然科学、社会科学、数学科学、系统科学、思维科学、人体科学、文艺理论、军事科学、行为科学、地理科学、建筑科学等。其中每一个科学技术部门又按照是直接改造客观世界，还是比较间接地联系改造世界的原则，划分为基础科学、技术科学和工程技术三个层次（文艺理论目前看来只有一个基础理论层次）。与十一大科学技术部门相对应，过渡到马克思主义哲学的“桥梁”是：自然辩证法、历史唯物主义、数学哲学、系统论、认识论、人天观、美学、军事哲学、社会论、地理哲学、建筑哲学等。这十一架“桥梁”分别概括了十一大科学技术部门中带有普遍性、原则性、规律性的东西，即各门科学技术的哲学；因此，也可以把它们共同作为马克思主义哲学的内容和基石。