Подтверждение на практике РНИИ преимуществ методов и конструкций, разработанных в ГИРД, привело к организации в начале 1936 специального отдела РНИИ по разработке ракетных летательных аппаратов, главным конструктором которого был назначен Королев.
Энциклопедические знания, системный подход, редкая интуиция и немалый опыт уже тогда позволяли Королеву применять самые выгодные для данного случая конструктивные схемы аппарата, типы двигателей и систем управления, виды топлив и материалов. В результате в его отделе к 1938 была разработана экспериментальная система управляемого ракетного оружия, включающая проекты жидкостных крылатой 212 и баллистической 204 ракет дальнего действия с гироскопическим управлением, авиационных ракет 201 для стрельбы по воздушным и наземным целям, зенитных твердотопливных ракет 217 симметричной и самолетной аэродинамических схем с наведением по световому и радиолучу. Стремясь получить поддержку военного руководства и в разработке высотного ракетоплана 218, Королев впервые в мире обосновал концепцию ракетного истребителя-перехватчика, способного в несколько минут достигать большой высоты и атаковать самолеты, прорвавшиеся к защищаемому объекту.
Для получения опытных данных, необходимых при создании РПИ-218, планер СК-9 был переоборудован в простейший ракетоплан РП-218-1, огневые испытания которого Королевым проводились, начиная с декабря 1937. В мае1938 им была разработана программа летных испытаний, которые он намеревался провести лично. Но из-за аварии при испытаниях ракеты 212, получив ранение головы, он попал в больницу, а когда выписался из нее, 27 июня 1938 был арестован по печально знаменитой 58-й статье как участник контрреволюционной троцкистской организации внутри РНИИ (ранее по "делу РНИИ" подверглись аресту И. Т. Клейменов, Г. Э. Лангемак, В. П. Глушко). Королев был приговорен к 10 годам заключения, наказание отбывал на Колыме.
После ареста маршала Тухачевского все разработки нового оружия постепенно закрывались и сопровождались арестами их авторов. Тем не менее исследования Королева по ракетоплану были продолжены, хотя не так интенсивно, как при нем. В феврале 1940 летчик В. П. Федоров совершил на РП-218-1 первый в СССР полет с работающим ЖРД, положивший начало практическому развитию отечественной реактивной авиации. После этого Наркомат авиапромышленности рекомендовал продолжить разработку реактивных самолетов другим конструкторам (В. Ф. Болховитинову, А. Г. Костикову и др.), но без участия Королева создание боевого ракетного самолета оказалось невозможным.
Вклад в Победу и освоение трофеев
В сентябре 1940 Королев благодаря ходатайству Туполева (хотя тот сам подвергся аресту в 1938) был вызван с Колымы для разработки в ЦКБ-29 нового бомбардировщика. Королев сразу же занялся разработкой крыла самолета и, кроме того, представил в НКВД проектные предложения по созданию для него ракетной аэроторпеды АТ, которая позволяла бы наносить удары, не входя в зону ПВО. После того как в декабре 1941 самолет совершил первый успешный полет, коллектив Туполева был эвакуирован в Омск, где он организовал в спешно построенных цехах серийное производство самолета, получившего название Ту-2 и ставшего впоследствии лучшим фронтовым бомбардировщиком. Королева решено было направить в Казань в КБ тюремного типа (так называемая шарашка) для того, чтобы найти применение разработанному Глушко ЖРД с тягой 300 кг. Королев предложил ряд вариантов, из которых был выбран проект авиационной ракетной установки (АРУ), обеспечивающей кратковременное увеличение скорости боевых самолетов. Для первого опыта был взят пикирующий бомбардировщик Пе-2, для которого в январе 1943 началась разработка АРУ-1, в марте около 900 чертежей ее деталей и систем были сданы в производство, а 1 октября был осуществлен первый полет Пе-2рд с включением ЖРД на 2 минуты, за которые скорость самолета возросла на 120 км/час. В результате отработки установка получила высокую оценку. Королев за эту работу был награжден орденом "Знак Почета" и освобожден от отбывания наказания.
В конце войны Королевым были разработаны проекты РДД Д-1 и Д-2 с твердотопливными двигателями, он также выдвинул предложения по созданию перспективных жидкостных ракет. Но поскольку оказалось, что подобные проекты уже были осуществлены в Германии, Королев был направлен в составе группы советских специалистов на немецкие предприятия, где ему было поручено собрать для испытаний хотя бы несколько ракет Фау-2. Ознакомившись с тем, что осталось от ракетного центра Пенемюнде, подземного завода Нордхаузен, Королев пришел к выводу, что можно создать и свои отечественные ракеты с существенно лучшими характеристиками.
В мае 1946 советским руководством было принято постановление о развитии ракетостроения в СССР, в соответствии с которым в советской оккупационной зоне был создан Институт Нордхаузен, где под руководством Королева был осуществлен полный проект РДД Фау-2 (А-4), подготовлены предложения по созданию ракет с большей дальностью, а также составлены специальные железнодорожные поезда для проведение летных испытаний ракет в период до создания стационарного полигона.
Но главным содержанием этого постановления было решение о создании в подмосковном Калининграде (ныне Королев) Государственного союзного НИИ реактивного вооружения (НИИ-88), одним из главных конструкторов которого был назначен Королев.
Дальнейшие события развивались стремительно: в апреле 1947 Королев, докладывая свои предложения по разработке РДД Сталину, получил от него указание сделать копию немецкой ракеты, что стало хорошей школой и для промышленности, и для армии. После этого можно было переходить к реализации своих идей; в октябре у Капустина Яра провел летные испытания ракет А-4, собранных в институтах Нордхаузен и НИИ-88 в основном из трофейных узлов и агрегатов; в 1948 с гораздо лучшими результатами по надежности и точности попадания испытал первые ракеты Р-1, воспроизводящие А-4 по отечественной документации и из своих материалов. Королев показал себя незаурядным организатором, сумев скоординировать работу созданного им Совета главных конструкторов (В. П. Бармин - наземный комплекс, Глушко - ЖРД, В. И. Кузнецов, Н. А. Пилюгин, М. С. Рязанский - системы управления), министерства вооружения (Д. Ф. Устинов), военных подразделений (маршал артиллерии М. И. Неделин), коллективов НИИ-4 в Болшеве и Государственного центрального полигона Капустин Яр.
В мае 1947 познакомился с будущей женой, работавшей в бюро переводов. Нина Ивановна Котенкова работала переводчицей в НИИ-88. Вскоре они поженились.
Покорение вершин военной техники
Благодаря созданию ракеты с дальностью 300 км, которая во всем мире признавалась "чудом техники", Королев открыл дорогу для воплощения на практике своих технических идей. В 1948 была создана ракета Р-2 с дальностью 600 км, которая могла уже достигать, например, некоторых американских авиационных и морских баз.
Параллельно с отработкой на надежность и сдачей на вооружение ракет Р-1 и Р-2, Королев развернул широкомасштабные межведомственные проектно-теоретические научно-исследовательские работы по нескольким перспективным направлениям, в которых ОКБ играло роль головного предприятия.
