50年代，火箭技术已成为十分活跃的研究课题，发射地球卫星，运载工具是关键。要克服地球引力，运载火箭必须达到第一宇宙速度，因此，在空气力学的理论基础上，高超声速问题成了首要突破口。于是，郭永怀开始探究，1953年，他研究出沿高超声速运动平板的粘性绕流。之后，他又结合prandti的过界理论，解决了长期存在的平板前缘的奇异问题，并发表“弱激波从沿平板的边界层的反射”等论文两篇。他还和潘良儒合作研究了高超声速可压缩粘性流体绕楔流动等课题，发表了“绕平板的超高速粘性流”等论文。这期间他还先后发表了《物体在有旋流中所受的力和力矩》、《大振幅球面波或柱面波的传播和冲击波的产生》、《斜冲击波与片流动边界层的交互影响》、《绕机翼的二维跨声速流》和《二元连续跨声速流的稳定问题》等论著。这些研究成果大多有尝试性和开拓性，受到了国际学术界的普遍重视与公认。 　　　　

　　开拓力学

　　郭永怀虽然身在异国他乡，却时刻惦念着祖国。在康乃尔大学，他参加了进步组织???科学工作者学会，经常把朋友邀请到家里研讨祖国的前途与命运。1949年10月1日，当中华人民共和国成立的喜讯传到美国，他欣喜若狂，决心把自己的知识贡献给新中国。1956年11月，他毅然放弃了在国外已取得的荣誉地位和优越的工作条件，冲破重重阻力，几经周折，回到阔别16载的祖国。回国后，他不仅受到了党和国家领导人的热情接待，而且担任了中国科学院力学研究所副所长职务。在这个刚成立不久的研究所中，他与所长钱学森、副所长钱伟长等著名科学家通力合作，日夜操劳，使力学研究所的学科设置、研究方向与任务、科技人才的选拔与使用都很快确定下来。同时，他还研究制定了我国近代力学发展方向、近期规划和远期奋斗目标，确定了全国高等院校力学专业的设置。

　　1957年，郭永怀当选为中国科学院学部委员和中国力学学会理事，他积极开拓并领导了新兴的高超声速空气动力学、电磁流体力学和爆破力学的研究，成为我国近代力学事业的奠基人之一。同年10月4日，苏联成功地发射了一颗人造地球卫星，在我国科学界引起了强烈反响。10月13日，中国科学院等单位召开了在京著名科学家座谈会，郭永怀在会上就发射人造卫星的运载工具及推力、火箭发动机的推进剂，卫星入轨时的姿态控制、苏联同西方国家火箭技术的比较等具体技术问题作了简要分析介绍，发表了自己的见解，积极倡导我国研制人造地球卫星。

　　1961年，郭永怀把在京的老、中、青空气动力学工作者组织起来，成立了高超声研讨班。在这个班上，郭永怀提出了钝锥绕流在一定情况下，后身流场中可能产生“悬挂激波”和“云粒子侵蚀效应”的设想，并通过实验，找到了钝锥体绕流头部的激波层分析方法，取得了锥体高超声速绕流的最大熵值线、高温气体效应以及钝体流形状等研究成果，为我国的航天与国防事业做出了重大贡献，这在世界上尚属首例。

　　1961年，他在力学研究所建立了电磁流体力学研究室，对磁流体和等离子体稳定性、磁流体直接发电、同位素的电磁分离等研究出一批成果，撰写出一批专著和论文，受到国内外的关注。另外他还积极倡导爆炸力学的研究，他从培养爆炸力学专业人员入手，对“爆炸成型”、“爆炸筑坝”、“铁路建设”和爆炸力学的军事应用等课题给予极大关注与指导。他还亲自主持领导了6405项目的研究工作，6405是反导弹系统640中的一部分，主要研究再入核弹头的识别问题，这个项目虽然搞的时间不长，但却取得了再入物理现象的理论问题等重大成果，这些成果后来为七机部同类研究工作奠定了基础。

　　1961年4月12日，苏联宇航员驾驶“东方”1号飞船首次进入太空，这对我国又是一次极大触动。三年内，中国科学院共召开了12次星际航天座谈会，郭永怀在会上多次提出自己的见解，在第四次会上，他就星际航行中一个极为关键问题???宇宙飞船回地，作了中心报告，从理论上发表了自己的重要观点。1964年他被选为中国航天理事会副理事长。 　　　　1967年底，国防科工委决定：以空气动力学部分组建第17研究院，钱学森为筹备组长，郭永怀为主管技术的副组长。他以丰富的学识和深刻的科学思想，通过考察我国气动研究的现状，同时结合国外的先进经验，明确指出：空气动力学主要服务对象仍应以航空航天为立足点，以理论研究、实验研究和模型自由飞行试验为三大研究手段。并以此设置各专业研究所，配置研究人员和实验设备，从而使17院（后改称风洞指挥部）具有空气力学研究“全天候”的能力。在风洞建设上，郭永怀在对技术、经济实力、社会效益等综合分析的基础上，提出低、高、超配套工程的建议：重点搞高速、超高速风洞，瞄准第一、第二宇宙速度，优先搞炮风洞，自由飞弹道靶，这样可减少投资，缩小规模。1976年，国务院、中央军委决定： 在风洞指挥部的基础上，组建空气动力研究与发展中心（简称气动中心），现已经成为航空航天飞行器及风工程研制与发展的重要技术支柱，在国际上也享有声誉。作为一个奠基者的郭永怀，在这项伟大的建设工程中，具有不可磨灭的功绩。为了缅怀郭永怀的功绩，气动中心专门在中心大院的松林山上修建了一座纪念亭，张爱萍将军为该亭题名“永怀亭”。 　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　献身“两弹”

　　1957年10月15日，中苏签订了《国防新技术协定》，在协定中苏联明确承诺向中国提供原子弹数学模型和图纸资料。1958年，负责核武器研制的二机部九部在京成立，后来成为负责核武器研制、生产整个过程的研究设计院???九院（中国工程物理研究院的前身），开始了“两弹”研制工作。

　　1959年6月，苏联方面突然致函中共中央，拒绝向中国提供原子弹的数学模型和技术资料。1960年7月，苏联政府照会中国政府决定撤走在华的核工业系统的全部专家，并停止供应一切技术设备和资料。这时中央果断提出：我们自己搞！冲破核封锁，研制争气弹，要快，要抢，就是不能让任何人敢于小瞧我们！要凭自己的力量，完成原子弹的研究任务，决定从全国抽调技术力量加强九院（核武器研究院）。