Следующая ракета фон Брауна была названа А-3. Поскольку дальность предполагалась большой, испытательный полигон решили перенести в местечко Пенемюнде, где фон Браун в свое время охотился на уток.

Скоро был спроектирован и построен реактивный двигатель тягой в 1500 кг.

Работы привлекли общий интерес. Лично ознакомившись в 1936 году с ходом работ, генерал Фринч выделил новые ассигнования. Проявил внимание к ракетам и Герман Геринг. В 1936 году у генерала Кессельринга состоялось совещание, результатом которого было решение создать новую экспериментальную станцию в окрестностях города Вольгаст. Армейцам отводилась часть, которую назвали «Пенемюнде-Восток», ВВС— часть, что назвали «Пенемюнде-Запад».

Ракета А-3 имела высоту 6,5 метра и диаметр 70 сантиметров. Ее носовая часть была заполнена батареями; под ними размещался отсек с приборами. Ниже отсека располагался бак с кислородом, внутри которого помещался меньший бак с жидким азотом. Затем шли отсек с парашютом и бак с горючим и, наконец, ракетный двигатель, который работал на жидком кислороде и спирте.

Испытательные запуски трех ракет А-3 были проведены осенью 1937 года. Хотя двигательная установка работала хорошо, система наведения во всех трех запусках оказалась плохой. Чтобы понять причину, было принято решение снабдить ракеты дополнительными приборами, которые могли бы определить силу ветра и аэродинамическое сопротивление. Через какое-то время стало ясно, что газовые рули слишком малы, а быстродействие сервосистемы недостаточно.

Еще во время проектирования А-3 фон Брауну пришла в голову мысль сделать ракету большой дальности. Предполагалось, что ракета будет лететь на 260 километров, вдвое дальше, чем снаряд знаменитой «Большой Берты». При этом заряд составил бы одну тонну. Расчеты показали, что для дальности в 260 километров ракете необходимо развить скорость в 1600 км в час. Вес боевой части в одну тонну означал, что сухой вес ракеты равняется примерно 3 тоннам. Для достижения нужной скорости было нужно, чтобы вес топлива в два раза превышал «сухой» вес ракеты. Таким образом, стартовый вес ракеты должен был составлять 9 тонн, а тяга ракетного двигателя — около 25 тонн.

С этих расчетов начались работы над следующей ракетой — А-4.

В декабре 1936 года в отделе Королева появился новый сотрудник — А.В. Палло, только что демобилизовавшийся из армии. В это время отдел Королева занимался крылатыми ракетами и ракетопланами. У Сергея Павловича в это время возникли разногласия с руководством, и он вынужден был, чтобы продолжать работу над своими замыслами, оставить должность заместителя начальника института по научной части и остаться начальником отдела, а впоследствии даже стать просто старшим инженером (в это время начальником был назначен В.И. Дудаков). В 1936 году Королев лично, из кабины ракетоплана, провел наземные испытания реактивного двигателя. В апреле 1938 года были проведены сдаточные испытания ракетоплана РП-318 с жидкостно-реактивным двигателем Глушко ОРМ-65.

Одновременно с работами по ракетопланам производилась разработка крылатых ракет. Ракеты 217 предназначались для поражения с земли движущихся воздушных целей. Ракеты типа 06, 216, 212 предназначались для запуска с земли по удаленным целям, а ракета 301 предназначалась для пусков с самолета по воздушным целям. Стабилизация и управление полетом ракет осуществлялись автоматически. На ракете 212 использовалась автономная гироскопическая система стабилизации и управления с трехстепенным ГПС-3 конструкции С.А. Пивоварова. На ракетах 217 стабилизация и управление в полете, а также приведение в действие взрывателей должны были осуществляться телемеханическими приборами при полете ракет по световому лучу от прожектора, освещающего цель. Система управления была еще далека от совершенства — уйдя на большое расстояние, ракета начинала петлять, а затем падала. Автопилот и автомат управления ГПС-3 были еще несовершенны.

«Крепким орешком» оказалась и двигательная часть крылатой ракеты «312». В ней были обнаружены недостаточные герметичность и прочность соединения трубопровода с крановым агрегатом. При испытаниях при давлении в магистрали порядка 60 атм при закрытии крана трубку вырвало из соединения, поскольку в конструкции использовались стандартные в авиации соединения, предназначенные для низкого давления. При стендовых испытаниях нарушение герметичности этого вида соединения происходило несколько раз; при использовании концентрированной азотной кислоты это могло привести к аварии. А.В. Палло сообщил Королеву, что применяемое соединение не пригодно и его необходимо доработать и отказался проводить испытания.

С.П. Королев воспринял отказ как каприз А. В. Палло и заявил, что сам проведет испытания. Начались испытания, и тут внезапно вырвавшаяся трубка ударила С.П. Королева по голове. Его немедленно отправили в Боткинскую больницу. Удар вызвал сотрясение мозга и трещину в лобной части.

Позднее, в больнице, С.П. Королев заявил А.В. Палло: «Ты прав, надо было переработать соединения трубопроводов».

Это была не единственная тяжелая травма в отделе. В декабре 1938 г. при проведении стыковки консоли крыла с центропланом перед контрольными летными испытаниями ракетоплана РП-318— 1 в момент установки прецизионных болтов крепления крыла порывом ветра резко качнуло консоль крыла, удерживаемую на плечах механиками. Сместившиеся проушины сварных узлов срезали фалангу среднего пальца на левой руке А.В. Палло.

Несчастный случай с Палло произошел уже после ареста С.П. Королева. Через несколько дней после того, как Королев вернулся из больницы, он был арестован по «делу РНИИ». Постановление на арест было вынесено Главным экономическим управлением НКВД СССР, санкцию (арестовать как члена «троцкистской организации») дал первый заместитель Главного прокурора СССР Г.К. Рагинский. Основания: показания уже находившихся под следствием трех человек, что Королев являлся участником контрреволюционной троцкистской организации. Следствие по делу Королева вели оперуполномоченные Быков и Шестаков. Журналист Ярослав Голованов в 1988 году беседовал с членом-корреспондентом Академии наук СССР С.Н. Ефуни, и тот рассказал об операции 1966 года, во время которой Сергей Павлович умер. Анестезиолог Юрий Ильич Савинов столкнулся с непредвиденным обстоятельством, — рассказывал С.Н. Ефуни. — Для того чтобы дать наркоз, надо было ввести трубку, а Королев не мог широко открыть рот. У него были переломы двух челюстей.

Надо заметить, что сам Королев об этом никогда не упоминал, он ограничился словами: «следователи Шестаков и Быков подвергли меня физическим репрессиям и издевательствам».

Обвинения Королеву предъявлялись серьезные: «Вел подрывную работу по развалу объектов, необходимых для обороны страны с целью ослабления мощи Советского Союза, тем самым подготовлял поражение СССР в войне с капиталистическими странами... Сорвал снабжение армии азотно-реактивными двигателями, имеющими огромное оборонное значение...»

Но это всего лишь беллетристическое описание «вредительской деятельности Королева», судили и отправляли его в лагерь по конкретной статье — 58 (пункты 7 и 11) Уголовного кодекса Российской Федерации. (очевидно речь об РСФСР - прим. OCR) Директор института Слонимер назначил специальную экспертную комиссию по делу Королева. Был составлен акт за подписями четырех человек: Костикова, Душкина, Дедова, Каляновой. Позднее Королев писал: «Этот акт пытается опорочить мою работу. Однако заявляю вам, что он является ложным и неправильным. Лица, его подписавшие, никогда не видели в действии объектов моей работы. Приводимые в акте «факты» вымышлены...» Сам директор Слонимер от подписи уклонился под предлогом, что он человек новый. Как говорится, «в селе не без праведника» — жаль только, что праведник, как правило, только один.