如今回憶起自己當年從導彈設計轉回到自己的“本行”——人造地球衛星的研製，孫家棟深有感觸地說，這要感謝老一輩革命家和以錢學森為代表的科學大師有著卓越的科學發展的戰略眼光，他們從世界的角度看問題，意識到航天對於一個國家未來發展的重要性，於是著手製訂科研規劃，調集精兵強將集中攻關。孫院士說，結合中國的實際情況，張愛萍將軍提出了“急用實用”的觀點，作為指導中國設計製造地球衛星的方針。
雖然方針定下來了，但是由於是剛剛起步，再加上當時正趕上“文革”時期，所以要想設計出一個能夠飛上天的、哪怕是很簡單的衛星，也需要費很大的勁。孫老回憶說，當時他們設計的第一個衛星就是一個鋁殼子，裏麵有一半的“內容”是電池。在設計製造的過程中經常麵臨零件匱乏的窘境。
有一次，孫家棟發現需要一個專用插頭，卻找不到，他隻好求助周總理。周總理很重視，讓自己的秘書開了一封介紹信。孫家棟拿著這封介紹信來到上海，找到上海市委書記。這位市委書記很重視，找來分管工業的相關負責人，一起研究這個專用插頭哪一個廠子能夠做。他們在估計出某一個廠子能做之後，孫家棟又馬不停蹄趕到這家工廠，廠領導找到了這個廠裏最有經驗的老師傅。這位老師傅60歲左右，確實有經驗，可他是老上海人，聽不懂普通話，於是，陪同孫家棟前往的市委書記的秘書臨時充當起了“翻譯”，總算說清楚了，後來把這個插頭做成了。
這個“插頭事件”僅僅是孫家棟接手中國第一顆衛星後，麵臨的諸多問題中比較小的一個，在以後的將近三年的時間裏，他帶領著設計團隊不斷解決一個又一個複雜的技術問題，終於製造出了屬於中國自己的人造衛星——東方紅一號。
1970年4月24日，是一個被載入史冊的日子，21時35分，隨著指揮員點火的命令，載有“東方紅一號”衛星的運載火箭噴射出烈焰，火箭伴隨著轟鳴聲騰空而起飛向天空。15分鍾後，傳來了星箭分離、衛星入軌的消息。“東方紅一號”衛星發射成功了！
此時的孫家棟眼裏湧滿了激動的淚花，內心的喜悅難以言表！
年根底下突遇車禍，幸運的是毫發無傷
鮮花和掌聲還未遠去，孫家棟便馬不停蹄地將精力投入到了下一個工作目標上了。一個月後，也就是1970年5月，孫家棟主持製定了中國第二顆人造衛星實踐一號衛星的總體技術方案。不到一年之後，這顆衛星也發射成功，它在軌道工作達8年之久，是中國第一顆長壽命衛星。
在設計這兩顆衛星的同時，孫家棟還同時擔任中國第一顆返回式遙感衛星的技術總負責人。經過一次失敗的教訓之後，到了1975年11月26日，長征二號運載火箭攜帶的這顆返回式遙感衛星終於發射成功了。
那時的孫家棟，將所有的精力都投入到了工作當中，還有過一次因為趕著去工作而出車禍的險情。那是1971年的1月24日，農曆臘月二十八，已經到了年根兒了。孫家棟的家人都在等著他利用春節的時候有更多時間與家人團聚，但他滿腦子都是實踐一號衛星的事情，一大早就起床了。他匆匆忙忙擦了把臉，就與同事一起乘坐吉普車前往西南郊的一個研究部門，解決衛星配套設備去了。一天的勞累結束了，正當大家各自在顛簸的歸途中靜靜地梳理自己的思緒時，冷不防吉普車載著連同司機在內的10個人突然翻下路邊很深的河溝裏，翻車的位置在肖家河大橋的拐彎處。災難發生了，可奇跡出現了。按照常理，吉普車翻到那麼深的河溝裏，一定會遭遇滅頂之災。但車上的人卻無一人重傷，孫家棟裹著他那件一天到晚不離身的棉大衣，硬是毫發無傷。幾天後，孫家棟隨同運送衛星和參加試驗任務的火車專列向衛星發射場開進，實踐一號的發射沒有因為這場事故受到影響。
為了突破探月技術難題，成宿在陽台上觀察月亮、思索問題
進入到上個世紀八九十年代以後，孫家棟作為中國衛星設計的領軍人物之一，繼續奮戰在中國航天事業的第一線，並取得了許多突破，他自己也成為蜚聲中外的著名科學家。1999年9月，國家召開表彰大會，表彰為研製“兩彈一星”作出突出貢獻的科技專家，並為23位科技專家授予“兩彈一星”功勳獎章。孫家棟成為受表彰的23位科技專家之一。
這是一項崇高的榮譽，是對孫家棟幾十年來為中國導彈設計和衛星設計事業作出突出貢獻的最大的肯定。
不過，對於在航天事業上有更高追求的孫家棟並沒有停止前行的腳步，他又把目光投向了更宏偉而尖端的探月衛星上。
經過幾年的準備和協調，2004年1月，我國第一個探月工程被命名為嫦娥工程並正式啟動。3月，中科院院士孫家棟被任命為嫦娥工程總設計師。如今回憶起那段時間的工作狀態，孫老說，自己當時腦子裏經常反複思考著地球、月球、衛星三體運動的關係。他舉個例子說：“衛星在地球上發射，但在發射那一刻，月球在太空的什麼位置？因為地球與月球都在不停地轉動，地球在什麼季節與月球距離最近？何時發射最有利於發射控製？”
他告訴記者，自己多年來養成一個習慣，腦子裏隻要裝上問題，就會覺得茶無味、飯不香，會沉默寡言、日思夜想。那段時間，有好幾次，有時是半夜有時是淩晨，老伴醒來發現床上的老頭不見了，細聽房間沒有一絲動靜，嚇得她大喊。孫家棟則說，你睡你的覺，不要大驚小怪。原來，孫家棟夜裏醒來看到窗外掛在空中那明亮的月亮，便身不由己地走到陽台看上幾眼，他仔細看著月亮在天上慢慢移動，心裏在默默琢磨探月工程總體的一些技術方案。有時他在窗前一站竟是好幾個小時，折騰得老伴也睡不踏實，一會兒給他披衣服，一會兒要給他搬椅子讓他坐在那裏看。但有一條，老伴會看他的眼神行事，絕不敢打亂他的思緒惹他不高興。
有一次，孫家棟在陽台上從後半夜一直站到天空泛白、月亮的輪廓變浚，這時老伴才打趣說：“月亮真好看是嗎，看夠了，看出名堂了。是不是該吃早飯了，司機都該來接你了。”這時的孫家棟卻似乎沒有倦意，早飯吃得比平時還多，想必是觀察月亮有了新的感悟。
功夫不負有心人，經過孫家棟以及其他科學家、眾多科技工作者的努力，2007年10月24日，嫦娥一號衛星發射成功。這次發射是全程電視直播的，攝像師捕捉到了這樣一個鏡頭：當傳出嫦娥一號衛星繞月成功的消息時，大家全部從座位上站起來歡呼跳躍、擁抱握手，而孫家棟卻走到一個偏僻的角落裏悄悄背過身子，掏出手絹偷偷擦眼淚，這個鏡頭讓很多人感動。很少在眾人麵前落淚的孫家棟此時流淚，因為他心裏清楚這次發射成功來得多麼不易。