На первых порах гирдовцы повели активную административную пропагандистскую и организационную работу, сразу став тем центром, куда стекались все интересующиеся ракетной техникой. Выступая в печати, читая на предприятиях лекции, гирдовци привлекали в свои ряды новых сторонников идей Циолковского. Но главную свою задачу они видели в практической работе.
К началу организации группы ракетчиков Ф.А. Цандер уже располагал значительным теоретическим и экспериментальным материалом, накопленным во время работы над одним из первых в стране лабораторным реактивным двигателем ОР-1, работающем на сжатом воздухе и бензине. Важным шагом в этом направлении стало письмо в Калугу К. Э. Циолковскому в сентябре того же года с целью привлечь его внимание к своим работам. В нем сообщалось об организации ГИРДа и содержалась просьба быть консультантом по научно-техническим вопросам. Константин Эдуардович горячо откликнулся на зов москвичей и, несмотря на возраст и недуги, помогал, чем мог. «Удивляюсь и радуюсь вашей энергии, - писал калужский провидец гирдовцам, - деятельность ваша необычайная и полезная…»
На одной из первых встреч гирдовцев С. П. Королев предложил построить реактивный планер – прообраз будущего самолета. Едва идея ракетоплана была принята Осоавиахимом, как королев вновь блеснул своей напористостью, умением организовать дело, увлечь им всех.
5 октября на аэродроме Осоавиахима Королев и Цандер встретились с Б. И. Черановским, самым тщательным образом осмотрели его планер БИЧ-8, наблюдали за его полетом. Королев уговорил конструктора ознакомиться с реактивным двигателем ОР-1, созданным Цандером. Сергей Павлович считал, что при взаимном доверии друг к другу может появиться задуманный ракетоплан. Был составлен план работ, подготовлен проект договора между Бюро воздушной техники ЦС Осоавиахима и конструкторами планера и двигателя – Черановским и Цандером. По этому договору Цандер брал на себя проектирование и разработку чертежей по опытному реактивному двигателю ОР-2 к реактивному самолету РП-1. В свою очередь Осоавиахим принимал на себя финансовые расходы и хозяйственные заботы. Позднее вся ответственность за выполнение работ по двигателю и ракетоплану легла на С. П. Королева.
В феврале 1932 г. самим Королевым было произведено испытание автопилота в полете.
День за днем коллектив ГИРДа вел экспериментальные исследования, расширял тематику исследований, устанавливал деловые связи с научными учреждениями. С. П. Королев проявлял свой недюжинный талант организатора. Он продумывал, как найти необходимое оборудование, сформировать творческие и производственные бригады, расставить людей так, чтобы каждому было интересно, и это бы содействовало успеху. Появился единый план творческой жизни ГИРДа, в котором оказались взаимосвязаны все службы. Заведенное делопроизводство – папки с входящими и исходящими документами, приказы и распоряжения, выдаваемые под расписку, вход по пропускам – все утверждало соответствующий строгий порядок, внушало каждому гирдовцу, что он работник важного для страны научного учреждения. Коллектив ракетчиков оценил по достоинству Королева. Несмотря на молодость, все уважительно называли его – Сергей Павлович.
ГИРД стал школой для многих будущих конструкторов и прежде всего для самого Сергея Павловича Королева.
17 августа 1933г. на полигоне Нахабино был произведен первый запуск ракеты ГИРД-09. Сергей Павлович продиктовал акт: «Старт состоялся на станции № 17 инженерного полигона Нахабино 17 августа в 19 часов 00 минут. Вес объекта 18 килограммов. Вес топлива – твердый бензин – 1 килограмм, кислорода – 3.45 килограмма, давление в кислородном баке 13.5 атмосферы. Продолжительность полета от момента запуска до момента радения 18 секунд. Высота вертикального подъема на глаз примерно четыреста метров».
В сентябре 1933 г. ГИРД и Газодинамическая лаборатория в Ленинграде были объединены в Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ) Рабоче - Крестьянской Красной Армии. Начальником института назначили И. Т. Клементьева, а заместителем по научной части – Сергея Павловича Королева. Королев был горд и счастлив: основная задача ГИРДа – доказать на практике возможность осуществления реактивного принципа движения при данном состоянии науки и техники вообще – была выполнена на высоком уровне и в удивительно короткий срок.
В марте 1934 г. в Ленинграде проходила первая Всесоюзная конференция по изучению стратосферы. Королев делал доклад о возможности полета человека в стратосферу на ракетоплане, показал, что для подобного полета предпочтительнее жидкое топливо, так как оно эффективнее твердого и дает возможность управлять двигателем. Он рассказал, каким ему видится первый реактивный корабль. По расчетам Королева, пилотская кабина должна быть герметичной, весом не менее двух тысяч килограммов, иметь «жизненный запас» для человека и вмещать экипажи от одного до двух человек. Королев сообщил о трудностях, связанных с созданием реактивного аппарата подобного класса, но и сумел убедить всех, что они в конечном итоге преодолимы. Успех Сергей Павлович видел прежде всего в координации усилий ракетчиков и представителей ряда других областей науки и техники.
В декабре 1934 года в военном издательстве вышла книга С. П. Королева «Ракетный полет в стратосфере». Описывая в книге различные типы летательных аппаратов, автор убедительно доказывал важность баллистических, то есть бескрылых ракет, а также говорил о необходимости создания в первую очередь совершенно нового реактивного двигателя, на высоте и, возможно, когда-нибудь даже в межпланетном пространстве».
Лето и осень 1935 г. наполнены для Сергея Павловича неотложными делами. Его назначили начальником сектора крылатых ракет. В феврале 1936 г. в РНИИ создается новый крупный отдел реактивных летательных аппаратов. Начальником его, а по сути и главным конструктором назначается Сергей Павлович, получивший таким образом возможность вести работу по целому семейству автоматически управляемых и пилотируемых ракетных летательных аппаратов (РЛА). Именно они, по его убеждениям смогли бы составить первый в истории комплекс управляемого ракетного оружия. Развитию и становлению оборонного комплекса Королев уделяет львиную долю своего внимания.
Но всему задуманному так и не суждено было свершиться. Осенью 1937 г. волна репрессий и произвола, захлестнувшая страну, докатилась и до Ракетного института. После того, как «военные заговорщики» К. Н. Тухачевский и другие были расстреляны, началась чистка ближнего и дальнего их окружения… 28 июня 1937 г. бюро октябрьского райкома, куда входила парторганизация института, в своем постановлении среди неблагонадежных в классовом и политическом отношении назвала и Королева, «тесно связанного с врагом народа Эйдеманом».
Королева понизили в должности, не уменьшив объема работы. Стали приостанавливать проводимые Сергеем Павловичем работы… 27 июня 1938 г. Королева арестовали. За ним пришли ночью. На следствии Королева обвинили в том, что он якобы член троцкистской антисоветской контрреволюционной группы и занимался вредительством в области военной техники, что все ранее арестованные дали против него такие показания. 27 сентября 1938 г. «правосудие» сказало свое слово: десять лет заключения в исправительно-трудовых лагерях. Место ссылки – Колыма. Сергею Павловичу исполнился всего тридцать один год.
Началась каторга – вместе с остальными заключенными Королев трудился с утра до ночи, добывая золотоносный песок. Но больше всего угнетали Сергея Павловича, жгли душу сознание судебной несправедливости, предвзятость и надуманность обвинения и этот ярлык – «враг народа». Королев писал письма в Москву с просьбой пересмотреть его дело. За облегчение его участи боролись депутаты Верховного Совета СССР, знаменитые летчики В. С. Гризодубова и М. М. Громов. А. Н. Туполев, сам находившийся за решеткой в стенах Центрального конструкторского бюро, созданного НКВД, настаивал на том, чтобы к нему перевели нескольких инженеров и конструкторов, в том числе и Королева. Но решающее значение в этом деле сыграло назначение наркомом внутренних дел Л. П. Берии, который – чтобы снять народную напряженность – приступил к частичному пересмотру дел. В их числе оказалось и дело Королева.13 июня 1939 года он был возвращен в Москву. Но еще год пребывания в Бутырской тюрьме оказался напрасным – Королев снова был признан виновным и осужден на «восемь лет в исправительных трудовых лагерях».
Казалось, этого удара Королев не вынесет, но несгибаемая воля и вера в собственную правоту взяли верх. После долгих размышлений Королев решает обратиться лично к И. В. Сталину. В этом письме Сергей Павлович ставил акцент не на личном положении, а на интересах страны, ее обороны, на которую он не покладая рук, не щадя себя работал. Видимо, голос Королева был все-таки услышан. 13 сентября 1940 г. его перевели в Особое техническое бюро НКВД в группу А. Н. Туполева.
Там тридцатитрехлетний Королев уже не урывками, как во время диплома, а в повседневной работе проходил туполевскую высшую школу авиастроения. Работал Сергей Павлович, по воспоминаниям «сокамерников», неистово, органически влившись в общее дело. Вместе с другими учеными он работал над созданием пикирующего бомбардировщика – 103. Все специалисты работали не на страх, а на совесть, понимая, что дело их необходимо стране, и свято веря, что скоро разберутся в их делах и убедятся в их невиновности.
В июле 1941 года туполевское КБ вместе с заводом было эвакуировано за Урал – в Омск. Вскоре Королев был назначен заместителем начальника сборочного цеха, где шла работа по строительству бомбардировщика ТУ-2. Досконально разобравшись в делах, он составил четкий план работы каждого подразделения, фактически каждого из ста пятидесяти работающих.