1956年，郭永懷突破重重阻力回到祖國，與錢學森一起創(chuàng)建了中國科學院力學研究所，參與創(chuàng)建了中國科學技術大學，參與了我國“兩彈一星”等重大國防工程的建設，為我國核彈、導彈和人造地球衛(wèi)星的成功研制作出了重要貢獻。

大漠鑄劍

1968年，郭永懷擔任了中科院力學所革委會副主任，他的夫人李佩則因為海外留學、家庭出身和抗戰(zhàn)時期在重慶的工作經(jīng)歷，受到審查。與力學所的大部分工作陷入停滯不同，一些重大國防科研項目受到的影響相對較小。這段時間，郭永懷的主要精力放在了中國空氣動力學研究院（十七院）的籌備建設和新一代核彈的研制工作中。1967年開始籌備的中國空氣動力學研究院，隸屬于國防科委，錢學森擔任籌備組組長，郭永懷、嚴文祥擔任副組長。郭永懷主要負責研究院的技術和規(guī)劃工作。

1968年9月，女兒郭芹確定要到內(nèi)蒙古呼倫貝爾盟杜爾基公社加拉嘎大隊插隊。9月20日早上，郭永懷親自把郭芹送上了遠行的列車。9月30日晚，應周恩來總理的邀請，郭永懷參加了在人民大會堂舉行的慶祝新中國成立十九周年招待會。10月1日，郭永懷在天安門廣場觀禮臺觀看了國慶慶典。

10月2日，郭永懷來到十七院籌備組，布置十七院高空模擬試車臺和統(tǒng)一規(guī)劃的籌備工作。當天，他還親自寫信給十七院籌備組的路史光同志，安排十七院的籌備事宜，可見他對十七院的籌備建設是多么重視。10月3日上午，郭永懷與力學所革委會副主任游雄握手告別，下午從北京出發(fā)到青海221基地，為新的核彈試驗作準備。

1967年6月17日，郭永懷領導和參與研制的我國第一顆氫彈空投爆炸試驗成切。隨后，他們馬不停蹄地開始了我國第一顆新型熱核彈的研制，這次是采用钚作為核燃料。郭永懷作為核彈武器化的主要負責人，負責核彈彈頭的結構設計和環(huán)境試驗。為此，他付出了巨大的努力，數(shù)次前往青海221基地領導攻關。

1968年10月的遠行，就是為這項新的核彈試驗作準備。試驗的各項準備工作緊張有序地進行。郭永懷一邊工作，一邊還牽掛著第一次離家下鄉(xiāng)插隊的女兒郭芹、困境中的妻子李佩和家鄉(xiāng)生病的兄長。10月20日，他給女兒郭芹寫信告知自己已經(jīng)離京到青海出差，鼓勵她在農(nóng)村好好接受鍛煉；10月26日，他又給在家鄉(xiāng)榮成的侄女郭淑娥寫信，告訴她妹妹郭芹下鄉(xiāng)插隊的情況，同時委托郭淑娥帶他大哥看病，錢款等他回京后寄去。

原來預計11月20日就可以完成的準備工作，一直到12月初終于完成，只等中央專委批準試驗時間了。完成了準備工作的郭永懷急于返回北京，一方面，北京有很多工作在等著他回去處理；另一方面，他心里惦記著插隊的女兒、妻子，以及榮成老家生病的兄長。他匆匆忙忙預訂了12月5日從蘭州飛往北京的機票。

以身許國

郭永懷這樣的大科學家出行，一般都配有警衛(wèi)員。12月4日下午，郭永懷帶著警衛(wèi)員牟方東告別同事，乘坐一輛伏爾加轎車趕到基地設在西寧的辦事處招待所住下，準備第二天一早出發(fā)到蘭州機場。隨行的司機名叫孫學思。 5日一大早，一行3人在招待所吃過了早餐，天還沒有亮就匆匆上路了。從西寧到蘭州200多公里，他們中午之前到達了蘭州。5日13時59分，郭永懷和牟方東一行在中川機場登上了前往北京的伊爾-14飛機，機號640。這架飛機隸屬于中國民航蘭州管理局第八飛行大隊，機組人員共6人。蘭州到北京的空中距離是1356公里，飛機需要飛行4個多小時。

640號飛機在經(jīng)停西安西關機場補充燃油后，搭載了一部分郵包，繼續(xù)飛往北京。這時候機上共有12人，其中乘客和機組人員各6人。19時15分，飛機飛抵北京空域，機組和首都機場塔臺取得了聯(lián)系，塔臺值班員向機組通報了當時機場的天氣情況，靜風、能見度2.2公里、云高400米、輕霧，剛好符合2公里能見度的進場條件。

這時候，北京空域的氣象條件開始轉壞，能見度降低。此時，飛機上的飛行檢查員犯了錯誤，他在夜間復雜氣象條件下離開了座位，把飛機交給夜航未放單飛的機長操作，自己則去了客艙。19時17分，觀測實況，氣象條件持續(xù)轉壞。但塔臺值班員并沒有將這份最新的天氣情況通知給640號機組，而是在經(jīng)過值班航行處副處長的口頭許可下，在復雜天氣情況和無雷達保證的情況下，繼續(xù)指揮飛機落地。19時38分，飛機進入著陸狀態(tài)，此時飛行員只注意到了修正航跡，沒有注意到高度控制。加之，飛行員調(diào)錯了高度表，飛機的高度表被調(diào)成了海拔高度而不是實時高度，北京首都機場的海拔高度和實時高度差了40米，這個錯誤對于一個新手而言是致命的。高度過低，造成飛機在距跑道盡頭1209米處觸地起火，飛機失控解體。

事故發(fā)生后，當場乘客和機組各死亡5人，1人在醫(yī)院搶救無效后死亡，郭永懷和警衛(wèi)員當場犧牲。在事故現(xiàn)場，人們發(fā)現(xiàn)了不可思議的一幕：在散落一地、面目全非的十幾具遺體中，有兩具遺體緊緊地抱在一起，燒成一體。當人們費力地將兩具遺體分開時，發(fā)現(xiàn)那正是郭永懷和他的警衛(wèi)員牟方東，郭永懷的公文包就夾在中間，里面的資料完好無損。在他生命的最后一刻，用血肉之軀保護了機密資料。

驚天噩耗

當晚9點多，飛機失事的消息傳到了中國科學院力學所，正在力學所主持職工大會的革委會副主任游雄第一個得到了郭永懷去世的消息，當時會議就沒辦法再進行下去了，他組織全體參會人員默哀三分鐘。

李佩是第二天得到噩耗的。6日，科學院軍管會委派喬林等兩位同志和力學所的同志一起到家里慰問李佩。郭永懷在力學所的助手顧淑林和另外一個同事被安排陪伴李佩。遠在內(nèi)蒙古農(nóng)村插隊的郭芹7日接到了國防科委的電話，匆匆趕回北京。摯友錢學森同樣悲痛不已，他在紀念文章中寫道：“十秒鐘，就那么短短的十秒鐘，一個有生命有智慧的人，一位全世界知名的優(yōu)秀應用力學家就離開了人世；生和死，就那么十秒鐘。十秒鐘是短暫的，但回顧往事，郭永懷同志和我相知卻跨越了近三十個年頭?！?/p>

消息報到中南海，和郭永懷同為南開校友、曾多次接見郭永懷的周恩來總理十分震驚，把時任中國民航總局局長鄺任農(nóng)找去，下令徹查事故原因。蘭州第八飛行大隊停飛整頓，大隊長和政委相繼被停職檢查，首都機場相關責任人員也受到相應處理。周恩來總理指示《人民日報》發(fā)布訃告。他說，別人去世可以不報，郭永懷同志犧牲一定要報。

12月13日，《人民日報》發(fā)布了訃告：中國共產(chǎn)黨黨員、全國人民代表大會代表郭永懷同志，因不幸事故犧牲，終年59歲。郭永懷同志在從事科學技術工作中作出了貢獻。

因為郭永懷從事的大多是國防科技的絕密工作，所以，訃告只是簡單表述短短幾個字“作出了貢獻”。但他為國家、為人民所作的貢獻卻像一座高山，永遠聳立在人民心中。

1968年12月25日，郭永懷被批準為革命烈士。1985年，郭永懷被追授國家、科技進步特等獎。1999年，郭永懷被黨中央、國務院、中央軍委授予“兩彈一星功勛獎章”。2018年，編號為“212796”的小行星被命名為“郭永懷星”。2019年10月1日，在天安門廣場舉行的國慶七十周年閱兵游行儀式上，郭永懷的侄孫郭濤作為“兩彈一星”元勛后代代表高舉著郭永懷的榮譽牌，在禮賓車上駛過天安門廣場，接受全國人民的致敬。