В 1948 году Келдыша привлекли вначале для консультаций, а затем и для совместной работы в НИИ-88. Здесь он впервые знакомится с Королевым и его планами.
На протяжении 1948 — 1954 годов совместно проводились комплексные исследования путей создания межконтинентальных баллистических и крылатых ракет. Именно Келдыш с согласия Королева выступил с предложением передать все работы над крылатыми ракетами дальнего действия в авиационную промышленность. Для научного руководства разработкой крылатых ракет «Буря» и «Буран», которые вели Лавочкин и Мясищев, в НИИ-1 были созданы специальные отделы. Келдыш проявил инициативу и фактически спас затираемую в НИИ-88 лабораторию астронавигации, забрав ее к себе в НИИ-1 и затем организовав на ее базе самостоятельное ОКБ.
Круг интересов Келдыша был необычайно широк. По его инициативе еще задолго до запуска первого спутника проводились фундаментальные исследования по механике космического полета и был выполнен цикл работ, посвященный анализу и выбору оптимальных схем составных ракет. Эти работы помогли нашим проектантам в окончательном выборе пакетной схемы ракеты Р — 7. Впервые НИИ-1 и ОПМ совместно исследовали крайне важное для нас влияние подвижности жидкости в баках ракет на процессы стабилизации и управления. Работы НИИ-1 1958 года по выходу из «резонансного тупика» способствовали дальнейшему сближению Королева и Келдыша. К тому времени Келдыша уважали уже не только как ученого. Он проявил себя и весьма способным организатором науки, обладающим той практической хваткой, которой так иногда не хватает абстрактно мыслящим теоретикам.
Келдыш, рассматривая предложения по новым летательным аппаратам, всегда учитывал возможность их реализации. Он уже имел богатый опыт совместной работы с промышленностью и прекрасно понимал, что любое его предложение, связанное с созданием принципиально новой крылатой или баллистической ракеты, требует участия десятков НИИ, КБ, заводов и огромной организаторской работы. Келдыш видел в Королеве человека, который избавит его от труднейших организационных технологических забот. Своей задачей он считал проблемные исследования и организацию научных коллективов, выступающих в роли генераторов идей.
Это были идеи высшего качества. Любое предложение, исходившее в виде отчета или другого документа за подписью Келдыша, было итогом строгого анализа, тщательных расчетов и самых придирчивых обсуждений на семинарах и НТСах.
В 1954 году Келдыш совместно с Королевым и Тихонравовым выдвинул предложение о создании искусственного спутника Земли и участвовал в подготовке докладной записки правительству на эту тему. Уже в следующем году он был назначен председателем специальной комиссии Академии наук СССР по ИСЗ. Во всех требующих высококвалифицированной оценки космических программах Келдыша назначали председателем экспертных комиссий.
После запуска первого ИСЗ Келдыш стал непременным участником Совета главных. Правда, далеко не все обсуждавшиеся на Совете вопросы требовали его участия. Неоднократно приходилось наблюдать, как на затянувшихся совещаниях Келдыш закрывал глаза и уходил в себя. Все считали, что Келдыш заснул. Но немногие знали его удивительную способность в таком полусне пропускать в сознание нужную информацию. К всеобщему удивлению, он неожиданно подавал реплику или задавал вопрос, которые попадали «в самую точку». Оказывалось, что Келдыш ухватил всю интересную информацию и своим вмешательством помог принятию наилучшего решения.
Сразу после запуска первых ИСЗ по инициативе Келдыша развернулись работы по обеспечению слежения за полетами космических аппаратов и прогнозированию их орбит. В ОПМ была создана небольшая, но очень сильная группа Охоцимского (в будущем академика РАН), Энеева (в будущем члена — корреспондента), Белецкого, Егорова, Лидова и других, которая впервые разработала методику определения орбит с помощью ЭВМ. Созданный вскоре на базе этих работ баллистический вычислительный центр тесно сотрудничал с координационно — вычислительным центром НИИ — 4 Министерства обороны, баллистиками нашего ОКБ-1 и НИИ-88. Позднее эта кооперация оформилась в виде системы координационно — вычислительных центров СССР, получающих общую информацию от наземного командно — измерительного комплекса, находящегося в ведении Министерства обороны. Союз этих центров под научно — методическим руководством Келдыша участвовал во всех проектно — баллистических работах, в работах по баллистико — навигационному обеспечению полетов космических аппаратов для исследования Луны и планет. Охоцимский в ОПМ, Эльясберг и Тюлин в вычислительном центре НИИ — 4, Лавров и Аппазов в ОКБ-1 развивали методы и программы для определения оптимальных дат старта, суммарных погрешностей управления и оптимальных условий для осуществления коррекций траектории полета, передаваемых на борт КА с помощью радиосредств.
За результаты вычислительной деятельности, связанной с коррекцией орбит и прогнозированием траекторий КА сотрудники Келдыша несли не меньшую ответственность, чем их коллеги в НИИ — 4 и ОКБ-1.
В данном случае коллективная ответственность не приводила к безответственности. Баллистики всегда выручали друг друга.
С согласия и при поддержке Келдыша будущий академик Раушенбах в 1954 году собрал в НИИ-1 небольшую группу, которая начала разрабатывать системы стабилизации и ориентации ИСЗ. Одними из первых сотрудников этой команды стали выпускник МВТУ Виктор Легостаев и дипломник первого выпуска МФТИ Евгений Токарь. В 1956 году Келдыш утвердил первый фундаментальный отчет Раушенбаха и Токаря «Об активной системе стабилизации искусственного спутника Земли». В этой работе предлагались вполне конкретные технические средства, анализировались трудности осуществления задачи и содержались предложения, которые впоследствии легли в основу проектирования систем управления космическими аппаратами и не потеряли актуальности до нашего времени.
Идеи, высказанные в этом отчете, вскоре стали достоянием наших проектантов Максимова и Рязанова, подчиненных Тихонравову. Тихонравов доложил Королеву, и оба решили поддержать эту инициативу, до поры не привлекая к этим работам ни меня с подведомственным мне мощным конструкторским коллективом и приборным производством, ни наших коллег Пилюгина и Кузнецова, в распоряжении которых были несоизмеримые с НИИ-1 технологические возможности воплощения в металле и электронике любых новых идей.
Пожалуй, они поступили правильно. Небольшие самостоятельные группы — или маленькие лаборатории, не обремененные связями с громоздкими структурами производственных гигантов и хлопотами по массе текущих неприятностей, не опекаемые сверху постоянным контролем за сроками, графиками и всяческими показателями по социалистическому соревнованию, иногда способны произвести на свет технические новшества в фантастически короткие сроки. При этом реализуются идеи, которые на большой фирме были забракованы по принципу «этого нельзя сделать потому, что это не может быть сделано никогда». В лучшем случае будет сказано: «Мы можем это сделать. Для этого нам необходимо постановление правительства: построить специальный корпус, получить право на увеличение численности, установить еще три десятка телефонов с выходом на московскую АТС, получить дополнительно пять служебных автомашин и лимит на прописку в Москве и Ленинграде не менее чем ста человек».
Подобный перечень мы называли «типовым джентельменским набором», который в различных вариантах обычно сопровождал в виде приложения проекты постановлений ЦК и Совета Министров по созданию новых образцов военной техники. Всесильные клерки в высших органах власти тщательно редактировали проекты постановлений правительства. В их задачу входил выпуск текста постановлений в таком виде, чтобы все работы были четко расписаны по срокам и конкретным исполнителям с минимальным объемом приложений, содержащих материальные блага. Эти блага называли «сено — солома». Когда выходило очередное постановление, исполнители прежде всего интересовались, что осталось от «сена — соломы». Наступало горькое разочарование, когда убеждались, что работа возложена и поручена, а «сено — солому» выбросили. Разыскать тех, кто непосредственно вычеркивал «сено — солому» из текста постановлений, было невозможно. Аппарат умел хранить свои корпоративные тайны.