К середине декабря 1941 года начались летные испытания ТУ-2, а в августе 1942года государственная комиссия приняла ТУ-2 к войсковым испытаниям, а затем и к серийному производству. Этот самолет признан намного лучшим немецких и итальянских бомбардировщиков.
В пригороде Омска параллельно с Туполевым работал научный коллектив В.М.Мясищева. Они завершали разработки дальнего высотного бомбардировщика ДВМ-102. Конструктор искал опытного человека в технологический отдел и пригласил Сергея Павловича. Чем глубже вникал Королев в суть технологии производства, тем чаще возвращался к мысли об использовании в авиации могучих сил, таящихся в реактивном движении, и тем энергичнее трудился над проектом ракетного самолета.
Но работа над 102-м вскоре прервалась. Мясищева перевели в Казань на авиазавод № 22. От него Королев узнал, что в Казани на авиамоторостроительном заводе № 16 есть «шарашка» где работают над реактивным двигателем. Он стал хлопотать о смене места заключения, чтобы быть поближе к реактивной технике, и добился своего – в ноябре 1942 года состоялся перевод Королева в Казань в КБ Глушкова.
В КБ его приняли прекрасно, хотя и оставался он по-прежнему заключенным. Но жизнь постепенно налаживалась. Королев вплотную занялся ракетным делом, разработкой авиационного реактивного ускорителя.
Проект Королева специалисты оценили по достоинству. 1 января 1943 года его назначили руководителем отдельной группы, которой поручалось конструирование авиационной ракетной установки. Но, отрывая время у сна и отдыха, одновременно с АРУ Королев продолжал совершенствовать проект реактивного самолета-перехватчика, начатый еще в Омске. Еще в декабре 1942 годаС. П. Королев представил руководству моторостроительного завода 58 листов расчетов, эскизов, компоновок самолета-перехватчика и приложил объяснительную записку. В ней предельно лаконично определил назначение и применение проектируемого самолета «как средства борьбы с немецкой авиацией в воздухе при обороне наземных объектов – городов, укреплений и т.д., а также для внезапной и быстрой атаки наземных целей противника – танков, батарей, зенитных точек, переправ».
Через несколько дней руководство завода, несмотря на очень заманчивые характеристики предлагаемого самолета, все-таки потребовало от Королева не отвлекаться от поставленной первоочередной задачи и сосредоточить усилия на доработке проекта ракетной установки-ускорителя ПЕ-2. Королев со своей группой выполнил приказ в беспрецедентно короткий срок – за четыре месяца. В окончательном проекте АРУ отмечалось: «РУ-1 является совершенно новым техническим аппаратом, впервые осуществленным на самолете с целью испытания и отработки реактивного двигателя в летных условиях». Королев, хотя это и не входило в его обязанности, опробовал двигатель лично, непосредственно в полете на различных высотах и скоростях.
Ракетные установки, разработанные Королевым, составляли основу аналогичных экспериментальных АРУ, которые использовались затем на самолетах Лавочкина, Яковлева, Сухого.
В августе 1944 года произошло долгожданное и вместе с тем неожиданное событие – С. П. Королева и остальных участников работ АРУ освободили из заключения. Но шла война, и освобожденные не могли пока разъехаться по домам. Королев остался: он не мог бросить испытания, не доведя их до конца. Теперь вольнонаемный Сергей Павлович жил в собственной комнате, которую ему выделило руководство завода.
Королев начал атаковать Наркомат авиационной промышленности: 14 октября 1944 года и 30 июля 1945 года он посылает письма, в которых настойчего предлагает строить твердотопливные баллистические ракеты дальнего действия на твердом топливе. С этой целью Сергей Павлович считает необходимым создать специальное конструкторское бюро с экспериментальной и опытной базой. Основной работой предполагаемого коллектива СКБ в 1945-1946 гг. может стать предлагаемая им твердотопливная ракета, способная доставить боеголовку на расстояние 70 километров. Предложения Сергея Павловича не остались без внимания, и он получил проектное задание именно такое, на которое рассчитывал.
Война длилась еще длинных четыре месяца. 8 мая 1945 года был подписан Акт о безоговорочной капитуляции Германских вооруженных сил.
Еще три месяца оставался Королев в казанском КБ, заканчивая дела, подводя итоги более чем двухлетней работы, после того, как покинул Омск и А. Н. Туполева. Тома документов. В одних – все о ракетных ускорителях, в других – наброски, эскизы, проекты, чертежи реактивных самолетов различных типов, деловые записки в высокие инстанции с предложениями о необходимости развертывания ракетостроения. Скрасила жизнь Королева последних казанских дней волнующая неожиданность: Указом Президиума Верховного Совета СССР Сергей Павлович, как и миллионы тружеников тыла был удостоен Государственной награды – медали «за доблестный труд в Великой Отечественной Войне 1941–1945 гг.». а через несколько дней пришел долгожданный вызов в Москву.
12 августа 1945 года Сергей Павлович вошел в свой дом. Дочка, вбежавшая в дом, увидев сидящего рядом с мамой мужчину, улыбающихся бабушку и дедушку, сначала растерялась, но быстро сообразив, что перед ней ее отец, которого она знала лишь по старой фотографии да по рассказам матери, бросилась к нему и крепко обняла.
— Папа, почему ты так долго был в командировке?
—Так случилось, Наташа, - это все, что мог ответить ее отец.
Жена Сергея Павловича Кеана тоже много изменилась за последние семь лет. Стала строже, молчаливее, почти седая, а ведь ей всего тридцать семь…
Все эти годы она трудилась в больнице имени Боткина, лечила раненых, защитила кандидатскую диссертацию. Ее ценили, как прекрасного хирурга травматолога. После возвращения в Москву Королева привлекли к работе над созданием военной ракетной техники, подобной трофейной немецкой ракете «фау». В сентябре 1945 г. Сергей Павлович в составе Межведомственной комиссии прибыл в Берлин. Перед командировкой ему присвоили звание подполковника, и он впервые за много лет одел военную форму. Предстояло полностью разобраться в конструкции и производстве «фау», попытаться собрать хотя бы несколько немецких ракет. В этих условиях было принято единственно верное решение – каждый из специалистов, в зависимости от направления его деятельности, отвечал за один из компонентов ракеты.
Немецкая ракета «фау» имела единственное техническое преимущество по сравнению с подобными разработками советских ученых, чьи ракетные агрегаты развивали тягу в полторы тонны. «Фау» же поднял в небо и унес за двести километров от старта двигатель тягой в 25 тонн. (Немецкие ученые и инженеры, начиная с 20х годов, проявляли постоянный повышенный интерес к трудам К. Э. Циолковского и его последователей, к ракетным организациям, приступившим к реализации его идей.)
С. П. Королев как специалист, лучше других знавший все проблемы ракетостроения в комплексе, стал неофициальным лидером группы. Большую помощь работе оказал Маршал Советского Союза Георгий Константинович Жуков, бывший тогда главнокомандующим группы советских войск в Германии.
Международная обстановка между тем все осложнялась. Стали создаваться военно-политические блоки, направленные против СССР. Над миром нависли грозные тучи «холодной войны». Создавалась взрывоопасная обстановка, и было необходимо экстренно повысить обороноспособность страны. 13 мая 1946 года Совмин СССР принял постановление о создании отечественной ракетостроительной промышленности. В подмосковных Подлипках был организован научно-технический центр по разработке ракет на жидком топливе. В дополнение к новому НИИ невдалеке от Подлипок, в Болшеве, появился НИИ-4 военного ведомства. Его задачей стала разработка проблем применения ракетной техники в Советской Армии. Одновременно в астраханской степи, у поселка Капустин Яр, возводился испытательный ракетный полигон.
Сергей Павлович Королев был назначен начальником отдела и Главным конструктором баллистических ракет дальнего действия главного научно-технического института (НИИ-88).
Работы по изучению трофейных ракет продолжались. По результатам исследования советские специалисты подготовили многотомный труд «Сборник материалов по изучению трофейной ракетной техники». Вывод ученых был однозначным: несмотря на большие практические достижения «немецкий путь развития ракетной техники не содержал каких-либо откровений…» Надо учесть их опыт, но продолжать идти своим путем, начало которому положено еще в 30х годах коллективами ГДЛ, ГИРД и Реактивного научно-исследовательского института (РНИИ).
В феврале 1947 года Королев вернулся в Москву. С женой Ксаной произошел разрыв, она не согласилась с необходимостью ехать в Подлипки, потерять работу, друзей.
Сергей Павлович приступил к работе в Подлипках. Он руководит сборкой и доводкой ракет, доставленных из Германии спецпоездом, ведет строительство первой отечественной ракеты дальнего действия Р-1. Чем больше вникал Сергей Павлович в работу, тем больше возникало проблем. Создание ракеты – это непрерывные взаимные увязки между разработчиками отдельных систем, постоянная борьба за каждый килограмм веса конструкции. Это и извечный компромисс между старыми, отработанными и, следовательно, надежными принципами и устройствами и еще недостаточно проверенными, с непредсказуемой надежностью, но более перспективными и многообещающими решениями.
Идей рождалось немало. Ему, Главному конструктору, следовало каждую оценить, многократно обдумать, прежде, чем дать ей ход. Многое опровергала практика, но кое-что становилось нужным. Научные решения порой казались настолько смелыми, что отдавали фантастикой, их-то и брал на вооружение Королев; но осуществлять удавалось далеко не всегда.