5月，核航弹（由飞机运载的原子弹）空投试验的准备工作基本就绪。5月4日和5日两天，周恩来主持召开中央专委第十二次会议，对这次核试验提出了3项具体要求。经党中央批准，5月14日，我国成功地进行了第二次核试验──核航弹空投试验，爆炸威力与理论计算基本一致。从此，我国的原子弹开始真正成为可供实战使用的核武器。从首次核装置试验成功到制成核航弹，并空投试验成功，我国仅仅用了7个月的时间。
由原子弹到氢弹是一个质的飞跃。如果说中国第一颗原子弹攻关时还有一点点资料可供参考的话，氢弹攻关则是从零开始。但也有有利条件：在中央专委的领导下，热核材料生产线即将建成投产，计算工具有所改善，全国大协作的局面已形成，科研队伍在第一颗原子弹攻关经受了锻炼，积累了经验。
核武器研究院很快提出了一个从理论探索入手，做3次核试验，分3步走的氢弹攻关的《两年规划》，争取1968年爆炸第一颗氢弹，并由二机部上报中央专委。1965年12月29日至31日，周恩来主持召开中央专委第十四次会议，原则批准了二机部提出的《两年规划》。周恩来提出：今年为两弹结合试验年，明年是导弹年，明年在导弹上要前进一步，希望后年要出更大的成果。
文革的爆发对我国尖端科技事业构成了严重干扰，中央专委的工作也在艰难的环境中进行着。1966年上半年，周恩来主持召开了四次中央专委会议。在周恩来的直接组织指挥下，1966年5月9日，加强型原子弹作空投核爆试验获得成功，获得了宝贵的热核反应的实测数据，达到了预期效果。同年12月28日，利用塔爆方式进行的氢弹原理试验再获成功。试验结果表明，这种新方案完全可以直接作为导弹的核弹头。据此，周恩来主持中央专委会议，决定停止另一方案的攻关。
按照氢弹研制的新方案，核武器研制基地在部内外厂、院、所的大力支援下，克服技术和文革动乱的双重困难，保质保量的完成了产品研制任务，按期运到了试验现场待命。1967年5月9日，周恩来主持召开中央专委第十八次会议，全面审查了氢弹试验的准备工作，决定把试验准备的期限提前到6月20日。6月17日，中国第一颗氢弹试验成功，提前实现了毛泽东在1958年6月提出的“搞一点原子弹、氢弹，我看有10年工夫完全可能”的预言。氢弹爆炸试验成功后，国际舆论认为，“这是中国核武器发展中的一个质的飞跃”，中国“氢弹制造一开始就选准独特的技术路线”，公认中国已进入核先进国家行列。
周恩来提出核潜艇工程再次上马
在世界海军发展史上，核潜艇的诞生是人类将高科技广泛应用于军事领域的一个重要成果。1954年，世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号在美国建成下水。核潜艇以其常规潜艇无法比拟的隐蔽性好，机动性强，航行速度快，活动范围广，续航能力大等优势，震动了世界。有些军事专家评论说：“核潜艇是第二次世界大战之后海军军事技术上空前的大变革。”此后，世界上一些发达国家不惜斥巨资重点研制发展核潜艇。英国、法国、苏联等大国都相继研制成功了自己的核潜艇。面对当时的世界局势和海军发展的最新动态，中共中央认为核潜艇将成为未来霸权主义的战略武器；中国必须拥有自己的核潜艇，才能以威慑对付威胁。
1958年6月27日，负责国防科技的聂荣臻元帅向党中央递交了《关于开展研制导弹原子潜艇的报告》。周恩来表示同意，批示道：“请小平同志审阅后提请中央常委批准，退聂办。”翌日，中共中央总书记邓小平批示：“拟同意。并请主席、彭总阅后退聂。”毛泽东、彭德怀也随即批示了这一绝密报告。在聂帅的主持下，中国开始了研制核潜艇的艰难历程。
当时，研制核潜艇同研制原子弹一样，被列为国家最高机密。值得注意的是，有关部门以火警报警电话“09”作为这项工程的代号，预示着中国研制核潜艇已是十万火急，刻不容缓。中共中央批准成立了专门领导研制核潜艇的班子，由罗舜初任组长，刘杰、张连奎、王诤为领导小组成员，负责筹划和组织核潜艇的研制工作。为推动核潜艇的研制工作，1959年11月，中央军委决定：核动力由二机部负责，艇体和设备由一机部负责，海军负责抓总。
1959年9月30日，在中华人民共和国成立10周年庆典之际，苏共中央总书记赫鲁晓夫来华访问。中方正式提出希望苏联帮助中国研制核潜艇，赫鲁晓夫傲慢地说：“核技术非常复杂，花钱很多，你们中国没有水平也没有能力研制，我们苏联有了，就等于中国有了。你们把海军基地给我们用，我们的核潜艇可以帮助你们。”毛泽东听后愤慨地说：“核潜艇，一万年也要搞出来。”
1962年上半年，由于国家经济遇到暂时困难，大批工程纷纷下马。与此同时，中苏关系全面紧张，苏联从我国撤走了全部原子能专家。国家经济没有力量同时支撑原子弹与核潜艇两个攻关摊子。年底，周恩来主持召开中央专委会议。会议根据海军和二机部的报告，决定在当时国民经济困难的情况下，核潜艇工程暂时下马，集中力量搞原子弹。出于长远考虑，海军领导和舰艇研究院负责人进行了多次研究。舰艇研究院院长刘华清和政治委员戴润生向聂帅作了汇报，认为从长远考虑，核动力潜艇研制工作不宜全部下马，研制核潜艇工程的种子要保住，否则以后再重新上马，困难更多。周恩来非常重视这份报告，主持中央专委开会进行了慎重研究。1963年3月，中央专委决定，在国民经济困难的情况下，保留一个由50多人组成的核动力研究室，继续从事核动力装置和艇总体等关键项目的研究。
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