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新中国建立之初，大难初定，百废待兴。然而国际局势分外险恶，中华人民共和国仍处在风雨飘摇的关键时刻。近有盘踞台湾的国民党政权蠢蠢欲动，时刻准备反攻大陆；外有美国为首的帝国主义伺机推翻新中国，从中渔利。为了与对手和列强抗衡，中共审时度势，敞开胸怀招揽海外的华人科学家归国，共同发展国防事业。感受到了祖国的召唤，钱学森（陈建斌 饰）、邓稼先（郑国霖 饰）、钱三强（杨洪武 饰）等科学家怀着一颗赤子之心，突破重重阻力投向祖国的怀抱。与此同时，国际上风云变幻，中苏关系交恶，抗美援朝战争也令原子弹的阴影进一步威胁中国的安全。 科学家们与祖国人民团结一心，为打造属于自己的“两弹一星”付出了无尽的努力……
钱学森回到北京后，彭德怀请他谈话，希望先搞出短程导弹。叶剑英元帅请钱学森到家里作客，席间谈得兴奋，叶剑英拉起钱学森就去找周恩来。周恩来交给钱学森一个任务，让他把想法写成书面意见。1956年2月，钱学森起草了《建立我国国防航空工业的意见书》，呈给中央。毛泽东亲自在菊香书屋会见了钱学森，对他的意见书倍加赞赏。这一时期，钱三强和刘杰等人起草了《关于我国制定原子能事业计划的一些意见》，后又修订成《关于1956-1957年发展原子能事业计划大纲（草案）》。我国研制原子弹、导弹的大幕终于徐徐拉开。 1956年2月28日，赫鲁晓夫致信毛泽东，表示对中国原子能事业提供全面援助。 3月14日，军委扩大会，周恩来请钱学森给元帅、将军们讲发展导弹的技术和规划。会议决定成立航空工业委员会。会后，周恩来宴请钱学森。 4月13日，航空工业委员会成立，聂荣臻为主任，黄克诚、赵尔陆为副主任。 同年春天，周恩来指导制订了《1956年至1967年科学技术发展远景规划纲要》。 同期，台湾蒋介石集团频繁出动侦察机骚扰大陆，我空军积极应敌。