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新中国的航天事业刚刚开始起步，犹如一张白纸好画最美丽的图画。孙家栋从苏联学成归来踌躇满志，日夜不停地爬在摞得像山一样的资料堆上翻译资料，资料翻译出来还要系统地归类，尤其是对总体技术指标和总体技术数据还要进行验算，通过模仿设计，把导弹技术吃透，力争掌握苏联的导弹设计思路。聂荣臻老总曾把仿制形象地比喻为“爬楼梯”，意思是要通过仿制把导弹技术研究透，为以后的自行研制奠定基础。孙家栋他们这些总体人员在翻译资料的同时，还以引进苏联导弹给定的技术指标为基础，用正常的设计程序进行反设计。这样，利用每一阶段的实际计算结果与苏联提供的资料数据进行比对，以此验证计算方法和计算公式的正确性，为以后的自行研制摸索经验。
1960年8月，孙家栋被任命为导弹型号总体设计室主任，他随“东风一号”导弹试验队赴酒泉发射基地参加发射任务。11月5日，中国第一枚仿制的近程地地导弹发射上天，获得圆满成功。当时担任国家航空委员会主任的聂荣臻元帅亲临导弹发射现场，当导弹点火升空，按预定计划圆满完成飞行试验后，坐在指挥台旁的聂帅激动地站起来说：“这是在中国地平线上飞起的中国人自己制造的导弹，是参加研制和发射试验的广大工人、技术人员、干部、解放军指战员辛勤劳动的结果，也是我军武器装备史上的一个重要转折点。”确实像聂帅所说，中国没有洋拐棍，依然可以昂首挺立，中国导弹的发射成功犹如一部历史，它把一个饱受欺凌的民族的尊严和志气书写到了浩瀚无边的太空。
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。孙家栋此时的心情异常激动，这成功的背后也同样有他的心血。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。孙家栋立即投入到故障查找、故障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，一层一层对各个分系统的技术状态以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也成为难题，尤其是导弹飞行产生的弹性振动对控制系统的影响，涉及到要在许多方面进行试验验证和改进。他们从失败中找出教训，在教训中认真进行修改设计，经过改进后的导弹，先后完成了发动机性能试验，发动机可靠性试车，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。
当时孙家栋在导弹研制队伍里虽然还是一个年轻小伙子，但在安排工作时，领导们却在不断给他“加码”，实际上是有意在培养他。
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，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，总体队伍的模式趋于合理。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，当时总体部主任是屠守锷，孙家栋能在短短的几年内由总体设计员升任为导弹总体部副主任，除了钻研好学外，与他在工作中的突出表现和在领导、同事们心目中的地位分不开。孙家栋所做的工作业绩为中国导弹事业的发展添砖加瓦。
孙家栋对航天总体的解释是：“所谓总体，就是要用最可靠的技术、最少的代价、最短的时间、最有利的配合、最有效的适应性和最有远见的前瞻性，制订出最可行的方案，保证获得最好结果的一种方法和体制。工程总体主要解决总体集成，根据国情进行切实可行的总体编制和总体设计，总体要建立在已有基础和现有条件的基础上，还要为后续发展留有充分余地。新产品、新技术要提前安排攻关、研制计划，要与整个总体计划相吻合，中国航天几十年来走过的成功历程充分说明了总体工作的重要性。”孙家栋还解释道：“比如航天产品在研制过程中，某系统出现的问题影响到了其他系统的工作，就要立即进行协调。有时候，某分系统或子系统出现的问题看似很小，而与其他系统进行总体匹配后，就有可能出现理论上想象不到的复杂问题。如同桌子与椅子的配合，如果在桌子太高而椅子虽矮但属于正常尺寸的情况下，一般处置方法是理应当降低桌子的高度，可如果降低桌子高度所花费的时间过长、实现的难度过大时，就要从总体角度出发满足最后的目标，所以就有可能逆向思维，不降桌子而升椅子的高度来实现桌椅之间的协调。”那时，各级领导都非常重视总体工作，钱学森不论工作多么繁忙，每周都要到孙家栋这个总体组来了解情况。孙家栋遇到问题也经常随时敲门直接找钱学森。这种融洽的上下级关系很令孙家栋感怀。
随着国家整体科学技术水平的提高，中国依靠独立自主、自力更生的建国方针，大胆采用新技术、新工艺、新材料，很快就具备了将自行设计制造的导弹发射上天的能力。
1965年2月，中央专委决定对中近程地地导弹进行改进，以增大射程。孙家栋领导的一院总体设计部与有关分系统设计的单位用了半年多时间，完成了中近程地地导弹的改型工作。经过改进设计，减轻了全弹的结构重量；增加了氧化剂自动补加装置；将惯性和无线电混合的制导体制改为全惯性制导体制等，使导弹射程增大了20％，战术技术性能也有所改善。
1965年3月，中央专委批准并下达研制液体中程地地导弹的任务。孙家栋作为导弹总体设计部技术负责人主持了总体方案论证和总体设计工作。
从1965年11月起，改进的中近程地地导弹在导弹试验基地连续进行多次飞行试验，均获成功。
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，还没有哪个国家进行过以实弹进行的“两弹结合”试验。是的，从第一次核爆炸到小型化核弹头，美国用了十三年，苏联用了六年，我国仅仅用了两年时间。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尤为深刻……
中国中程地地导弹是中国独立进行研制的液体导弹，运用了与中近程地地导弹全然不同的设计方案，集中地应用了中国60年代前期进行预先研究取得的最新技术成果，对设计方案进行反复论证后，最后确定了动力系统采用可贮存推进剂液体火箭发动机的方案；制导系统采用捷联式双补偿惯性制导方案，从而简化了发射前的准备工作，提高了制导精度，地面设备实现了机动化，使导弹具备了区域机动发射能力。
孙家栋回忆起当时研制导弹的情景时说：“其实早在任务下达之前，就已开展了有关预先研究，并陆续取得�