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从苏联留学回国后，孙家栋本以为自己会去空军报到，但当时的中国却有一件更重要的工作需要像他这样的人去完成。中国想要组建自己的导弹部队，建立自己的现代国防工业体系。
1956年10月8日，在中国航天发展史上是一个值得纪念的日子。中国航天发展最早的火箭、导弹研究机构——国防部第五研究院正式宣布成立，聂荣臻元帅亲自主持研究院成立仪式，钱学森被任命为院长。
1957年10月4日，苏联将世界上第一颗人造地球卫星成功地送入太空，它集中体现了一个国家科学技术的实力水平。当时，在国际上确实引起了一场不小的震动。
1957年11月16日，正式批准成立国防部第五研究院第一分院即现在的中国运载火箭技术研究院。周恩来总理任命钱学森兼任一分院院长。
1958年4月20日，学习飞行器发动机技术的孙家栋，拿着一纸调令来到了国防部第五研究院第一分院导弹总体设计部，开始了中国的导弹研制生涯。
当时的中国，经济和技术都比较落后，导弹事业的建立和发展都是白手起家。但是，过惯了苦日子的那一辈人都明白，这条路要走下去，走出名堂，就得从自力更生、艰苦奋斗开始。
初来乍到，令孙家栋感到忧虑的是，除了钱学森以外，孙家栋他们谁也没见过导弹。再一看周围的同志，有学力学的、数学的、化学的、纺织的、文史的，五花八门，就是没有一个学导弹理论的。孙家栋所学的航空理论还算与导弹专业离得最近的。
令孙家栋感到庆幸的是，早在苏联留学时就久闻大名的科学家钱学森，居然成了自己的领导、老师，带着他们一起搞火箭、导弹。在国家的高度重视下，中国的导弹事业有规划、有步骤、有机构、有组织地全面展开。
中国最初的导弹研制是从仿制工作起步的，是从苏联送给中国的两枚“P-2”型近程导弹开始的。
1959年7月16日，苏联突然单方面决定撤回在中国工作的全部苏联专家和顾问。从7月28日起，不等中国方面给以答复，在不到一个月的时间里，撤走了1390名苏联专家，撕毁了中苏两国政府签订的12个协定、两国科学院签订的1个议定书和300多个专家合同，废除了200多个科学技术合作项目，使我国的经济建设蒙受了巨大损失。
面对困境，孙家栋等中国的科技人员跟着钱学森，走出了一条独立自主发展中国航天的道路。就在苏联撤走专家17天后，即这年9月10日，中国用国产燃料成功地发射了第一枚近程弹道导弹。那时，孙家栋已经担任了导弹型号总体设计室主任。1960年11月5日，中国又成功发射了自己制造的第一枚导弹“东风一号”，准确击中目标。
中国从此拥有了自己制造的导弹，填补了导弹这个尖端武器的空白。那时，孙家栋的心情非常激动，成功的背后有他的心血。与此同时，自行设计的中近程导弹也进入了紧张的组装阶段。
1962年3月21日，我国自行设计研制的第一枚中近程导弹首次发射，由于控制系统失稳，导弹刚刚起飞就坠毁在导弹发射台附近。孙家栋立即投入故障查找、分析和方案设计改进的紧张工作中。他们从总体方案设计入手，使用剥竹笋一样的方法，一层一层地对各个分系统的技术状态及可靠性进行分析试验，并且根据故障现象反复进行模拟验证试验，很快找出并确定了导致失败的原因。失败的原因虽然找到了，但改进设计的处置办法却成了难题，尤其是导弹飞行产生的弹性振动对控制系统的影响，要从许多方面进行验证试验和改进。他们从失败中吸取了教训，经过改进后的导弹，先后完成了发动机性能试验，发动机可靠性试验，控制系统仿真与综合试验，控制系统与遥测系统匹配、模拟试验，导弹全弹振动试验等17项大型地面试验。
1964年6月29日，孙家栋在发射基地参与了“东风二号”导弹的发射试验任务。经过修改设计后的导弹在酒泉导弹发射台点火起飞，飞行试验获得圆满成功。这次成功，对于中国的导弹事业的发展具有非常重要的里程碑意义。中国不仅掌握了导弹研制的关键技术，并且系统地摸索总结出了导弹研制的科学规律，提出了必须强化的总体概念，设计方案必须在可行性论证和地面试验的基础上，以可靠性为出发点进行设计。就是从这时起，导弹总体队伍的建设趋于成熟，总体队伍的结构趋于合理。7月，孙家栋被任命为中国第一枚自行设计的中程战略导弹的总体主任设计师，并且挑起了导弹总体设计部总体设计研究室主任的重任。之后，孙家栋又升任为导弹总体设计部副主任，该部主任是著名导弹专家屠守锷。
1966年10月27日上午9时整，中国用改型的中近程地地导弹运载着真正的核弹头点火拔地而起，核导弹伴随着轰鸣的火焰直刺苍穹，消逝在人们的视野中。从仪器显示的数据分析，导弹飞行正常，9分14秒后，罗布泊落区传来了在预定高度实现了核爆炸，核弹头精确命中目标的报告。这一刻，发射场沸腾了，人们拥抱、跳跃，欢声雷动。“两弹结合”飞行试验成功的当天下午，《人民日报》发出了套红号外，向全世界公告：“中国成功地试验了导弹核武器！”
至此，中国不仅掌握了导弹核武器，而且走完了中近程地地导弹研制的全过程，闯出了自行研制地地战略导弹的路子，为尖端武器科研组织管理积累了经验。这种“两弹结合”的飞行试验是迄今为止除中国以外，在人类历史上还没有哪个国家以实弹进行的“两弹结合”试验。是的，从第一次核爆炸到小型化核弹头，美国用了13年，苏联用了6年，我国仅仅用了2年时间。而运载核弹头的导弹在这么短时间内，实现挖潜、改型、可靠性验证等诸多设计和试验，这其中的艰辛与欢乐，孙家栋他们这些亲临导弹研制第一线的科研人员的体会会更加深刻……