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1967年7月29日，北京，盛夏。孙家栋脖子上搭着毛巾，趴在画板上绘制导弹设计图纸。这个平常的盛夏午后，孙家栋的事业方向再次发生了转变。
时任国防科委参谋的汪永肃突然造访，告诉孙家栋：“国家将开展人造卫星研究，中央决定组建空间技术研究院，钱学森兼任院长，他向聂荣臻元帅推荐了你，上级决定由你负责我国第一颗人造地球卫星的总体设计工作。”
就这样，38岁的孙家栋成为中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”的技术总负责人。
当时，苏联、美国、法国已经成功发射了人造卫星，日本也在加快准备，孙家栋身上的压力可想而知。但很快他就展现出了自己的战略眼光。经过详细考察，他从不同专业角度和技术特长出发，最终选定了戚发轫等18人，这就是中国卫星发展史上有名的“航天卫星十八勇士”。
根据实际情况，孙家栋大胆对原来的卫星方案进行了简化，把卫星的工程任务概括为简单、明确的12个字“上得去、抓得住、看得见、听得到”。他顶着巨大的压力，说服一些老专家，去掉了原设计方案中的卫星探测功能，先用最短的时间实现卫星上天，在此基础上，再发射有功能的卫星。
卫星由结构、热控、电源、短波遥测、跟踪、无线电和《东方红》音乐装置，以及姿态测量部件组成，总重量173千克左右，直径1米，外形近似圆球的72面体，采用自旋稳定方式在太空运行。
修改的方案有了，但却找不到拍板的人。为保证1970年发射，孙家栋拿着修改方案，找到时任国防科委副主任刘华清。“你懂也得管，不懂也得管，你们定了，拍个板，我们就可以往前走。”孙家栋直率地说。孙家栋无私无畏的精神，得到了刘华清副主任的支持。
经过反复试验，孙家栋带队攻克了一个个技术难关。但一个并非技术领域的棘手问题，着实让整个团队一筹莫展。
当时总体方案里，确定要在许多仪器上镶嵌毛主席金属像章，这会使卫星超重，从而降低卫星、火箭的可靠性。参与研制人员对此心知肚明，却没有人敢提出异议。
“如何处理好尊重科学与政治等问题，应该请谁来妥善解决呢？”孙家栋辗转难眠。蒙眬之际，孙家栋想到了一个人，“他一定能帮我们”。这个人正是周恩来总理。
1969年10月下旬的一天晚上，孙家栋作为卫星总体技术总负责人和钱学森一起，来到人民大会堂江苏厅，向中央领导同志汇报工作。
钱学森首先向周总理汇报了“东方红一号”卫星和“长征一号”运载火箭的研制及发射准备的总体情况。接着，孙家栋对卫星的初样进行讲解和说明，对主要技术参数和研制中的重要情况作了具体汇报。
虽然不是第一次见周总理，但孙家栋还是显得很拘谨。在说到卫星仪器上镶嵌毛主席金属像章时，孙家栋调整了一下坐姿，微微地舒了一口气，他心里清楚“这件事只有周总理能办，机不可失”。“从政治感情上来说，出于对毛主席的热爱，在卫星仪器上装毛主席像章，我们支持；但是从技术角度讲，这样做，一是会使卫星重量超限，二是卫星上天后将会影响它的正常工作。”孙家栋陈词。
孙家栋的想法很简单，也很大胆，却得到了周总理的肯定。周总理说，“搞卫星一定要讲科学，要有科学的态度”。
1970年4月24日，“东方红一号”卫星成功发射，中国成为世界上第五个发射人造卫星的国家。
当日21时35分，高音喇叭里传出指挥员那洪亮的“点火”口令，地下控制室发射控制台前的胡世祥（日后升任解放军原总装备部副部长）按下火箭“点火”按钮，瞬间，载有“东方红一号”卫星的运载火箭的发动机喷射烈焰，火箭伴随着轰鸣声腾空而起刺向天空。
控制室监测仪器灯光闪烁，仪器的“嗒嗒”声不断显示着飞行正常的数据。
仅仅几分钟时间，火箭按预定轨迹飞出了人们的视线，但人们的目光仍然停留在火箭消失的地方不肯收回……
15分钟后，高音喇叭里传出测控系统报告“星箭分离”“卫星入轨”的消息。
“东方红一号”卫星发射成功了！
《东方红》乐曲环绕太空、响彻全球！
大家欢欣跳跃，相互拥抱祝贺，泪水和汗水交织在了一起。
孙家栋的工作得到了各级领导的充分肯定，钱学森曾满意地对大家说：“看来，把孙家栋找来还是对的，他确实敢干事，他也的确会干事。”
那一年，孙家栋41岁。
孙家栋没有因“东方红一号”第一颗人造卫星发射成功而停下探索的脚步，很快他又率领队伍开始了新的征程。他主持制定了我国第二颗人造地球卫星——“实践一号”卫星的主体技术方案。这颗卫星比“东方红一号”更先进，主要用于空间物理探测和航天新技术实验，原计划在轨1年，但它的实际寿命却长达8年。作为我国第一颗长寿命卫星，“实践一号”卫星引起了国际上的广泛关注，为我国今后卫星发展之路打下了坚实的基础。
在孙家栋团队的努力下，我国卫星的功能逐渐完善、质量不断提高。用于资源勘查、城市规划等领域的我国第一颗返回式遥感卫星于1975年11月26日发射成功。
1979年，50岁的孙家栋担任了“东方红二号”通信卫星总设计师，实现了用“中国造”的通信卫星进行卫星通信。
1984年4月，我国拥有了第一颗地球静止轨道通信卫星，标志着中国成为世界上第五个发射地球静止轨道卫星的国家。之后，太空中属于中国的卫星越来越多，东方红系列卫星、风云系列卫星等绕地卫星陆续成功上天。
20世纪90年代初，孙家栋意识到卫星导航定位系统在国家发展中的重要性。他认为，拥有自主知识产权、独立自主控制的卫星导航定位系统对国家安全格外重要。受命为北斗导航卫星工程总设计师的孙家栋，为确保“北斗”万无一失，每次遇到工程计划的节点，都会亲临现场组织指挥。在他的严密组织下，我国航天人仅用了5年时间，便将16颗导航卫星布于太空。
1999年国庆前夕，孙家栋在人民大会堂参加了授勋仪式。江泽民同志把一枚沉甸甸的“两弹一星”功勋奖章挂在了孙家栋的胸前。他获得了最高的荣誉。作为中国北斗导航卫星的总设计师，那时的他虽已年过古稀，荣誉满满，但他仍不断坚持忘我奉献。他说：“中国自力更生地搞出了运载火箭和卫星，在世界上取得了令人瞩目的成绩，这是中国人民的自豪。”