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1956年10月8日，在中国航天发展史上这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，在国际上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。五个月后，孙家栋来到一分院下辖的导弹总体设计部开始了中国的导弹研制生涯。
孙家栋在苏联学习时就曾听说过钱学森的名字，当时钱学森在国际上已经是知名的科学家，没想到自己回国才这么短时间就可以在钱学森的身边工作。孙家栋心中暗想，这可是个好机会，有这样的老师在身边，如果学不成，一定是自己不用功，遇到不明白的问题一定要及时请教。
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。
2005年9月，孙家栋在参加钱学森归国五十周年座谈会后，对采访他的记者恳切地谈了许多他自己的感想。钱学森在孙家栋的心目中是一位非常伟大的人物。孙家栋回想一生走过的道路认为能在钱学森的直接领导下工作是十分幸运的。纪念钱学森归国五十周年，不仅是表达对这位耄耋老人的敬意和祝福，更重要的是以回顾这位爱国赤子、科学巨匠走过的光辉道路，来激励广大科技工作者，特别是青年同志，立志为祖国的科技事业的发展、为祖国的繁荣富强作出突出贡献。
孙家栋回忆起当时跟着钱学森搞火箭搞导弹，真是又高兴又担心。高兴的是能在新中国刚刚创立两年的国防尖端科技部门工作，可以为国家干一番事业。担心的是，自己学的是航空专业，导弹是什么样子？怎么设计？怎么制造？心里一点底也没有。当时周围的同志，有学力学的、数学的、化学的、纺织的、文史的，就是没有学导弹理论的，孙家栋所学的航空理论还算与导弹专业离的最近。那时候，钱学森亲自讲授导弹概论，编制课程大纲，请庄逢甘教授讲空气动力学，请梁守槃教授讲火箭发动机，请朱正教授讲制导……
在实际工作中，孙家栋先后担任了工程总体组长、总体室主任、总体部副主任，直接在钱学森的领导下从事导弹设计、研制、试验工作，可以说是耳提面命，感触颇多，受益匪浅。钱学森在中国航天初创时建立在科学思考基础上的魄力和为国家为民族不怕担风险的大无畏精神，对孙家栋以至那一代人都具有非常强的影响力。
中国航天之所以取得比别的行业更突出的成绩，很重要的一条就是有钱学森这样的技术领导抓科研、抓预研、抓试验。钱学森以他的远见卓识，制订了正确的发展规划，走了一条多快好省的路。孙家栋参加了钱学森主持制订的导弹火箭发展的十二年规划，制订了“八年四弹”规划等工作。这些规划的实施使中国的导弹火箭研制生产一举越了几个台阶。中国空间技术研究院建立后，孙家栋又参与了钱学森主持制订的“三星规划”（东方红一号、返回式卫星和同步轨道通信卫星）工作，这些规划为中国的空间技术的发展奠定了基础。钱学森在技术发展过程中所起的作用是别人无可替代的，但他非常谦虚，每讲到成绩，总是把周恩来总理、聂荣臻元帅等党和国家领导人的具体指导放到前面，把广大科研人员的辛勤创造放到前面。钱学森的崇高科研道德和人格魅力，无时无刻不在影响着孙家栋。
钱学森平易近人，对青年人更是关怀备至。在很长一段时间里，他坚持每周都要抽出时间与孙家栋他们这样的年轻设计人员讨论技术问题，若有什么不妥，他便耐心引导、解释，很少直接批评。
钱学森严谨的工作作风令孙家栋终生难忘。60年代后期，中国自行研制的一种新型火箭即将运往发射基地，按惯例产品出厂前要完成装配、测试工作。其中惯性制导系统的平台上的四个陀螺要精确地装好，再拆开，包装好运往发射基地。当时由于时间紧，车间师傅跟孙家栋说，四个陀螺是同一批次生产的，第一个能装上，其他三个应该没问题，时间紧，是不是可以不再装了？孙家栋觉得安装师傅说的有一定道理，便同意了。万万没想到在发射场装配时，却出现了问题，怎么也装不上，只好立即向钱学森院长报告。钱学森听了汇报后并没有批评孙家栋，而是出主意进行仔细研磨后再试装。加工研磨时，钱学森也来到现场仔细察看排除故障的情况。那种精密部件研磨是很费时间的。钱学森也不说话，背着手走来走去。孙家栋和工人师傅从下午一点一直到第二天凌晨四点才装好，钱学森在现场就一直陪到凌晨四点。大家几次劝他回去休息，但他就是不走。这件事给孙家栋留下了非常深刻的印象，他虽然没有直接提出批评，但那种无声的力量让人感到比批评更严厉。从此，大家从点滴小事做起，不敢有丝毫的马虎。后来，孙家栋把这种严格要求的作风带到了空间技术研究院，有人说孙家栋太严厉了，孙家栋便解释，钱学森为我们树立了严谨的好作风，我们必须认真办好每件事。
钱学森敢于负责、勇于替下属和青年同志承担责任的作风也为孙家栋起到了榜样作用。1962年的一次导弹发射失败了，导弹失败对搞总体的人来说压力非常大，故障原因分析时，钱学森看到孙家栋他们垂头丧气，就主动以自己承担责任的方法为大家减压。钱学森说：“如果要有考虑不周的原因，首先是我考虑不周，责任在我，不在你们。你们只管研究怎样改进结构和试验方法，大胆工作，你们所提的建议如果成功了，功劳是大家的，如果失败了，大家一起来总结教训，责任由我来承担。”钱学森一席话一下子把孙家栋他们的顾虑都打消了。孙家栋自己当了领导后，看到年轻人工作上有什么差错，也常常像钱学森那样，替他们担责任，鼓励他们放下包袱，把事情办好。
2004年12月10日，孙家栋去看望了钱学森，由于他身体原因，大家都很不容易见到钱学森，看到钱学森的精神相当不错，孙家栋打心里非常高兴，钱学森问这问那也显得很兴奋。钱学森曾经说过：“我作为一名中国的科技工作者，活着的目的就是为人民服务。如果人民最后对我的一生所做的工作表示满意的话，那才是最高的奖赏。”这段简短的人生座右铭，就是他为祖国为人民鞠躬尽瘁、一生以科学态度追求真理的真实写照。此时孙家栋对钱学森的内心世界比别人有不同的理解，因为孙家栋与钱学森有过别人所没有的工作和交往经历，更能理解钱学森的人生追求和思想境界。
中国导弹试验场的建立
孙家栋加入到了中国导弹研制大军的行列，但导弹从研制到装备部队使用是需要诸多环节的配套才能实现。导弹综合试验靶场是完成导弹武器试验非常重要且必不可少的设施。导弹研制与导弹试验场的建设密切相关，孙家栋作为导弹总体组的设计负责人，积极参与导弹综合试验靶场的协调配套，依据导弹的总体技术要求提出导弹综合试验靶场建设的一系列配套指标。殊不知，导弹综合试验靶场的建设也同导弹研制一样，饱含着神秘色彩……
中国拥有导弹武器必须要建立配套的各种设施，最为主要的设施便是导弹武器发射试验场。中央军委作出决定，导弹武器发射试验场绝不拖后腿，立即组织强有力的班子展开导弹武器发射试验场建设。
1958年1月18日，由时任解放军炮兵司令员的陈锡联上将组织率领的导弹试验靶场勘察队整装待发，这个勘察队的很多人都是身经百战、拥有赫赫战功的将军，有总参谋部作战部部长王尚荣中将、中国人民志愿军第二十兵团副司令员孙继先中将、军械试验场场长张贻祥少将。勘察队还包括总参谋部、总后勤部、有关军兵种的人员以及苏联专家组负责人盖杜柯夫少将等五十多人。当日，靶场勘察队人员的专机抵达兰州，以兰州军区司令部作为大本营。经过数次大规模、小范围空勘、地勘以及对各种条件因素进行权衡比较后，倾向于将中国导弹综合试验靶场设立在甘肃西北的额济纳地区。
2月14日，中央军委副主席彭德怀元帅主持会议，听取了陈锡�