В апреле 1942 г., после шестого рапорта, Кузнецову удалось добиться перевода в действующую армию. Он был назначен старшим инженером 239-й истребительной авиадивизии ВВС Северо-Западного фронта. Дивизия, имевшая три авиаполка, была «разношерстной»: один был вооружен «Яками», другой – ЛаГГ-3, а третий – английскими «Харрикейнами». Если первые два типа истребителей оснащались хорошо известными техническому персоналу отечественными моторами М-105, то на последнем устанавливался двигатель «Роллс-Ройс Мерлин»ХХ, а инструкции к нему были составлены на языке Шекспира и Байрона, мало знакомом авиационным технарям. К счастью, за годы учебы в академии и в адъюнктуре Кузнецов неплохо освоил английский, так что вскоре в полку «Харрикейнов» появились весьма квалифицированные переводы всех инструкций.
Руководя технической эксплуатацией истребителей дивизии, Николай Дмитриевич нередко пользовался личным самолетом У-2, на котором он частенько перелетал с одного аэродрома на другой. Постепенно своими глубокими техническими знаниями, умением руководить людьми, Кузнецов заслужил высокий авторитет среди подчиненных. У командира дивизии полковника Г.Иванова он позаимствовал крылатую фразу: «С началом войны в русском языке слово «нельзя» заменено словом «надо». За время пребывания на фронте Николай Дмитриевич привык и к нелегкой жизни, и к самой войне, к удачам и потерям, сдружился с товарищами по оружию. Тем более неожиданным и удивительным стал вызов его в ЦК ВКП(б), поступивший в штаб дивизии в октябре 1942 г. Удрученный перспективой потерять знающего, способного старшего инженера, комдив прямо спросил Кузнецова, не писал ли тот каких-либо писем, заявлений «наверх». Сам немало изумленный происходящим, Николай Дмитриевич ответил отрицательно. От кого исходила инициатива с отзывом Кузнецова с фронта – неизвестно.
В Москве майора Кузнецова принял секретарь ЦК ВКП(б) Г.М.Маленков, в годы войны курировавший авиационную промышленность. Тут многое прояснилось: его решили направить парторгом ЦК в конструкторское бюро В.Я.Климова. Эвакуированное в Уфу из Рыбинска в конце 1941 г., осенью 1942 г. КБ испытывало значительные трудности с доводкой новых двигателей М-106 и М-107, предназначенных для модернизированных истребителей Яковлева и бомбардировщиков Петлякова. Отсутствие прогресса с моторами жидкостного охлаждения ставило нашу авиацию в сложное положение, ведь у немцев той же осенью 1942 г. появился истребитель Bf 109G- 2 с новым двигателем DB605A, развивавшим максимальную мощность 1475 л.с. Советским ВВС срочно требовался адекватный ответ на вражескую новинку.
Став парторгом ЦК, Кузнецов сумел за короткое время вникнуть в технические и «гуманитарные» проблемы, накопившиеся в климовском КБ. В ходе одного из технических совещаний Николай Дмитриевич неожиданно для многих участников, не предполагавших наличия профессиональных знаний у «политработника», указал на ошибку в расчетах и предложил способ ее устранения. Затем последовал еще один подобный случай, другой… В.Я.Климов, возглавлявший КБ, постоянно поддерживал дистанцию между собой и подчиненными, но в то же время остро нуждался в высококвалифицированном помощнике. Вскоре он обратился в ЦК ВКП(б) с просьбой переназначить Кузнецова его заместителем. С Климовым «в верхах» считались, его лично знал И.В.Сталин, и вскоре Николай Дмитриевич стал замом главного конструктора.
Постановление ГКО N“2346 от 25 сентября 1942 г. обязывало уфимских моторостроителей к середине ноября этого года закончить 50-часовые испытания мотора М-107А, а к концу года довести его ресурс до 100 ч. Этот вариант двигателя существенно отличался от еще довоенного «сто седьмого». Конструкторы разработали новый приводной центробежный нагнетатель с поворотными лопатками В.И.Поликовского. Мотор форсировали по наддуву, в результате чего его взлетная мощность возросла до 1600 л.с., а номинальная – до 1500 л.с. на высоте 4500 м. Полученные характеристики ставили М-107А в один ряд с лучшим зарубежными образцами. Если М- 105ПФ имел удельную мощность 34,5 л.с./л, то М-107А – уже 42,7 л.с./л.
Вскоре двигатель установили на яковлевский истребитель, и летчик-испытатель П.Я. Федрови достиг на Як-7 М-107А максимальной скорости 590 км/ч у земли и 680 км/ч на высоте 5800 м. Он внес предложение срочно изготовить 10-15 таких истребителей для проведения войсковых испытаний. Однако 23 февраля 1943 г. опытная машина была потеряна в аварии. В конце полета при выполнении площадки на малой высоте внезапно затрясся мотор, пошел дым. Летчик П.М. Стефановский был вынужден совершить посадку, не дотянув до границы аэродрома «Набережная». В результате самолет оказался полностью разбит, а пилот получил ранение. Расследование причин аварии показало: выброшенное из двигателя масло нарушило теплоизоляцию, вызвав обгорание наружного коллектора и проводов зажигания.
Климовское КБ и уфимский завод № 26 напряженно работали над устранением дефектов М-107А, но успех все не приходил. В конце апреля 1943 г. наркомат авиапромышленности направил в Уфу авторитетную комиссию во главе с начальником 8-го ГУ НКАП (по совместительству – директор ЦИАМ) В.И. Поликовским. Выводы оказались неутешительными: комиссия не исключила «возможности длительных задержек и непредвиденных затруднений в доводке М-107А и внедрении в широкую летную эксплуатацию». Объяснений Климова об объективных причинах задержки никто слушать не стал. 12 мая 1943 г. вышло необычное постановление ГКО № 3358: «В связи с тем, что Климов не выполнил вовремя решение ГКО по созданию мотора М-107А, имеющее в настоящее время исключительное значение, …прислать на помощь д.т.н. Швецова и д.т.н. Микулина и обеспечить успешное прохождение государственного испытания мотором М- 107А в кратчайший срок». Прибытие «варягов» больно ударило по авторитету Главного, но и ситуацию не исправило.
Только к августу 1943 г. удалось укомплектовать «сто седьмыми» несколько истребителей Як. В ходе испытаний в ЛИИ НКАП семь моторов наработали чуть более 84 ч. Пять из них пришлось снять с самолетов по разным причинам, шестой сгорел вместе с истребителем. Только один двигатель благополучно отработал на самолете 34 ч. Среди главных причин, не позволяющих эксплуатировать самолеты, называлась течь воды из уплотнений цилиндров, разрушение шатунов, прогары поршней, а также тряска силовой установки.
Наконец, после многолетних усилий напряженная работа всего коллектива дала свои плоды: 27 декабря 1943 г. ГКО утвердил заключения по результатам 100-часовых испытаний мотора М-107А и принял двигатель на вооружение ВВС Красной Армии. Климов получил звание генерал-майора ИТС, Кузнецов был награжден орденом Красной Звезды. Впрочем, проблемы М-107А(вскоре переименованного в ВК-107А) на этом не кончились. Мучительная доводка его продолжалась после окончания войны. Параллельно со «сто седьмым» с 1943 г. разрабатывались еще более мощные двигатели ВК-108 и ВК-109.
Приход реактивной эры заставил отечественное моторостроение вновь прибегнуть к заимствованию зарубежного опыта. В 1946 г. на уфимском заводе под маркой РД-10 было развернуто производство немецких двигателей Jumo 004 тягой 900 кгс. Они предназначались для реактивных истребителей Як-15, разработанных на базе знаменитого Як-3. Следующим шагом стало приобретение в Англии лицензий на производство двигателей «Нин» и «Дервент» тягой 1600 и 2200 кгс, соответственно. Советскую делегацию на переговорах возглавлял В.Я. Климов. Вскоре после возвращения он сумел добиться правительственного постановления, предусматривавшего возврат его конструкторского бюро в Ленинград. Тем же постановлением 35-летний инженер-подполковник Кузнецов назначался главным конструктором уфимского завода № 26.
Внедрение в производство абсолютно нового с точки зрения технологии реактивного двигателя РД-10 отнимало у Кузнецова большую часть времени. Одновременно, силами оставшихся на заводе конструкторов (значительная часть их вместе с Климовым уехала в Ленинград), он начал проектирование РД-12- собственного варианта ТРД тягой 3000 кгс. В отличие от немцев, компрессор решили делать центробежным. Впрочем, использованию германского опыта придавалось большое значение, недаром работавший в уфимском КБ немецкий инженер Ф. Бранднер получал фантастическую по тем временам зарплату – 4000 рублей (для сравнения – командир истребительного полка получал в то время приблизительно вдвое меньше).