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技术目标确定以后，需要对大量没有论证清楚的问题进行逐一落实，尤其是理论的设想方案如何在实际中实现？地面的东西如何满足空间的条件？空间的环境状况和温度参数全无，需要什么样的试验设施和指标参数也都不掌握。当时，航天系统还没有建立总设计师制度，当时的技术总负责人就相当于现在的总设计师。作为卫星技术总负责人的孙家栋，他大胆地提出对原来的卫星方案进行简化，充分发挥技术人员的聪明才智和积极性，说服了一些老专家，把卫星研制计划分为两步走，先用最短的时间实现卫星上天，在解决了有无问题的基础上，再研制带有探测功能的工程应用卫星。孙家栋的大胆设想立即得到了大多数人的赞成和认可。在简化方案这一创造性的原则下，技术人员对卫星原方案系统构成立即展开了修改和简化设计。能源系统只采用银锌化学电池组供电方案，去掉太阳能电池加镉镍电池供电部分，去掉姿态控制部分，只保留姿态测量用的红外地平仪和太阳角计。最后确定“东方红一号”卫星由结构、热控、电源、短波遥测、跟踪、无线电和《东方红》乐音装置以及姿态测量部件组成，总质量控制在173公斤，直径1米，外形为近似圆球的72面体，采用自旋稳定方式在空间运行。另外，在末级火箭上设置了“观测裙”，以提高其在空间运行时的亮度，使人们不仅能听到卫星发送的《东方红》乐曲，还能看到卫星在空间运行的轨迹。
时任国防科工委副主任的刘华清在回忆录中写道：
我不懂卫星，也不管这项工作。到了1968年，“东方红一号”卫星的研制遇到了问题，各分系统文齐武不齐，不协调不配套。为了保证1970年发射，空间技术研究院领导和设计人员在原方案基础上进行了合理的修改，但这一修改方案却找不到拍板的人。五院总体主任设计师孙家栋拿着方案找到我，孙家栋说话很直率：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。
听了他们的汇报，问了有关情况，我心想，这事不能拖，总得有人承担这责任。便对他说：“技术上你负责，其他问题我负责，我拍板。”
这个时期，七机部也没有什么人管事了。关于“东方红”卫星的事，后来我又听过一次机关汇报，也到现场看了看。卫星方案的若干修改和简化我就拍板定了。我当时强调，最后总体决策还要向党中央、周恩来总理和聂帅报告。我把卫星方案修改和简化情况报告了聂帅，聂帅也批准了。卫星计划才得以进行下去。回想起来，当时这么干，除了有一种强烈的责任感外，也有一点傻大胆的味道。
在“文化大革命”那种极端的政治环境下，正确的陈言也是要担当很大政治风险的。但是，孙家栋作为一个正直的科学工作者，他为了国家利益、为了国家的事业毅然抛掉许多个人杂念，敢于承担风险。强烈的责任感驱使孙家栋数次大胆陈言，一门心思就是要保证让中国的人造卫星按计划发射成功。正是他的无私无畏得到了领导的支持，也正是领导的支持使卫星总体技术指标能够及时确定，使卫星研制计划能够在特殊环境下得以顺利进行。
太空奏响《东方红》，听似简单，但在那个技术基础条件下，实现起来还是有很大难度的。《东方红》乐音装置及短波遥测系统，采用一个发射机交替播送《东方红》乐曲和发送卫星各种工程遥测参数，为了实现这一较为先进、难度较大的技术方案，采用了电子线路产生的复合音来模拟铝板琴演奏乐曲，以高稳定度音源振荡器代替音键，用程序控制线路产生的节拍来控制音源振荡器发音，从而保证了乐音嘹亮悦耳。
卫星的热控系统采用自然平衡方法，通过对星体结构各组件的表面分别采取阳极化、喷涂有机绝热涂层、镀金、包覆绝热层等措施，改变其热吸收和热辐射性能，使仪器舱内的温度长时间保持在5～40摄氏度之间，以满足仪器正常工作的要求。在热控系统研制过程中，需要进行卫星热真空模拟试验来检验设计的合理性。但当时国内还没有模拟太阳和地球对卫星辐射的大型模拟器，如何进行这项试验是亟须解决的一个课题。这时，热控系统技术负责人闵桂荣提出轨道周期积分平均热流代替交变热流来确定卫星内部仪器温度的平均值。据此，研制人员采用远红外电加热笼的模拟方法，成功地攻克了这个技术难关。
孙家栋在过去很多年后回忆起这段历史时仍然动情地说：“在当时那种技术条件、物质生活、工作环境下，在那么短的时间里做成这样一件大事，是大力协同、无私奉献的航天精神起了关键性的作用。”
当时，中国的基础工业非常薄弱，仅以小小的电信号连接插头为例，当时国内能够制造有二十几个插针的合格插头的企业几乎没有。为了解决这个插头问题，孙家栋他们不得不怀揣着总理办公室的介绍信，通过当时上海市的主要负责人，找到上海无线电五厂，与几位有经验的老师傅具体切磋探讨，制定了初步方案后又经过反复试验，终于将这种卫星上专用的也是非常特殊的插头造出来。
“东方红一号”卫星上的短波天线是用来发送《东方红》乐曲信号和遥测参数的。运载火箭点火起飞离开地面将卫星送入太空预定位置与卫星分离后，拉杆式结构的短波天线要可靠释放展开，这是保证播放《东方红》乐曲质量的关键。卫星上共有4根短波天线，每根长3米，由3节组成，用铰链与卫星腰带相连接。卫星发射前将每根天线收缩成1米长折下，与卫星自旋轴平行套在顶级火箭外壁上的卡环中。火箭飞行临近结束前，顶级火箭起旋（以180转/分的速度带着卫星自旋转），卫星与火箭分离后，短波天线的自由端离开卡环，在卫星高速旋转时产生的离心力作用下，收缩状态的4根短波天线便迅速展开。然而，天线的展开与释放在地面比较容易实现，但在太空中高速旋转状态下则是一项较为复杂的运动过程。
在第一次模拟卫星自旋天线展开释放试验中，出现最后一节天线被折断甩出去的问题，试验没有成功。又做了2次、3次、4次……一直做了10次仍然没有成功。一次次的失败不得不使大家冷静下来仔细分析。大家初步分析认为：天线展开后，两节天线间连接部分太短，强度不够，管子的直径也较大，由于质量大，在高速旋转时的离心力也大，因而末节天线容易折断。为了做到“稳妥可靠、万无一失”，孙家栋经过反复思考，并与技术人员们探讨后提出，天线释放和展开的运动形式是个复杂的运动合成，要作为专题来研究，并且还要考虑在地面做试验时重量的影响。天线组的人员进一步分析、试验后认为，天线与卫星之间只有一个铰链的设计，使每根天线相对卫星只有一个方向的转动，这与卫星自旋时，依靠旋转和离心力使天线展开和释放的实际运动是不一致的。孙家栋统一了大家的意见后，修改了天线结构设计重新进行了几次试验，均获成功。这个技术难关终于被攻克了。
紧接着，又攻克了测量卫星姿态的红外地平仪，顶级火箭上为了增强地面观测的“观测裙”，仪器舱大面积镀金，制作《东方红》乐音装置等技术难关等。
1969年9月，第一颗“东方红一号”卫星完成了初样卫星全部环境模拟试验，结果证明卫星各系统符合指标要求，技术状态正常。
1969年10月，“东方红一号”正样卫星，也就是要发射上天的卫星完成了各系统的研制工作。
向总理大胆陈言
中国第一颗人造地球卫星的研制与发射，将是中国迈向宇宙空间的第一步，无论在国内还是在国际都具有非常大的政治影响。卫星研制的捷报频传同样牵动着周恩来总理的心，总理和中央专委的领导在百忙之中几次听取了卫星研制工作进展情况的汇报。
10月下旬的一天晚上，孙家栋作为卫星总体技术总负责人与钱学森一同来到人民大会堂江苏厅，孙家栋的心情非常激动。他们刚把卫星初样摆放好，周恩来、李先念、余秋里等中央领导和参加会议的有关部委负责人就来到了会议大厅。
这时，当孙家栋近距离看到周恩来总理时，只是感到鼻子一阵阵的有些发酸。总理日理万机，为国家、为人民简直是操尽了心力，周总理脸上出现了很多黑痣，布满血丝的眼睛凹下后显得脸庞瘦削、疲惫，与几年前见到的样子竟是苍老了许多。
孙家栋想起1962年周恩来总理在人民大会堂宴请招待科学技术界知识分子时的情景。当时正值自然灾害困难时期，周恩来总理非常关心这些年轻知识分子的身体状况，特意上了一道“红烧肉”，一寸见方的肉块人人有份，当时年仅30岁出头的孙家栋已是许久没有遇到这样的口福了。要知道，当时毛泽东，拒绝吃肉；周恩来，停掉了茶；邓小平，戒掉了烟……
周恩来步入会议大厅后迎着大家的目光匆匆来到会议桌旁，向站立鼓掌的众人举起双臂招手让大家坐下后自己才坐了下来。
钱学森首先将孙家栋介绍给了周恩来。周恩来亲切地拉着孙家栋的手向他询问了一些简单情况，高兴地说：“这么年轻的小伙子就是卫星专家，这很好嘛，今年多大年龄？”
孙家栋有些羞怯地回答说：“今年40岁。”
周恩来风趣地说道：“哦，还是小伙子嘛，学森同志的年轻弟子满多的嘛！”
本来浑身紧绷、大脑高度紧张的孙家栋，顿时被总理几句风趣的话和朗朗笑声放松了下来。
当周恩来和其他领导人看过卫星初样后，周恩来说：“学森同志，是不是你先谈？”
钱学森点点头说：“好。”于是，将“东方红一号”卫星的研制和“长征一号”运载火箭以及目前发射准备的总体情况作了全面汇报。
接着，由孙家栋对卫星的初样进行了讲解和说明，对主要技术参数和研制中的重要情况作了具体汇报。
周恩来对钱学森和孙家栋的汇报听得很认真，还不时提出一些问题，尤其是对卫星上的每一个环节的质量和质量保障措施问的很详细。
当孙家栋汇报结束时，周恩来总理突然像考场里的考官那样对孙家栋问道：“卫星上总共有多少根电缆呀？”
孙家栋如数作了回答。
周恩来总理又问：“卫星上总共有多少个插头呢？”
孙家栋这时有些语塞。要知道卫星上有许多分系统，系统与系统之间、卫星与地面测试设备之间、卫星与火箭之间，有电源连接插头，有无线电信号插头，还有机械配合插头，只顾了总体把关和严格要求各分系统完成指标，却没有将全部插头进行准确的统计……
孙家栋红着脸有些不好意思地说：“总理，我回去认真统计好后向您汇报。”
周恩来笑了笑和蔼地说道：“这些数字对我来说是没有什么用处的，但对你们来说应该是重要的。你们搞卫星工作首先要仔细认真，应该像外科医生那样对病人的每一条神经、每一根血管都很熟悉，才能保证卫星的万无一失。”
其实，孙家栋在得到他将参加汇报的通知后，大脑就有一个拿不准的考虑，不知道该不该向总理提出卫星许多仪器上镶嵌的毛泽东金属像章对卫星部件的影响，如何处理尊重科学与突出政治的矛盾？会前准备的方案是否能将问题汇报清楚？怎样才能既解决问题，还又不至于使领导为难。
那个时期正是对个人崇拜的鼎盛期间，在街上随处可以看到满身挂着毛泽东像章的人。在那个历史年代人们对领袖的崇拜是可以理解的，但感情与科学若产生了冲突是不可调和的。各系统的卫星仪器做出来后，设备成套安装时在卫星仪器上又很认真地镶嵌一个毛主席像章，有的像章还很大，体现把像章做得越大越漂亮就越能显示出对毛主席热爱的热爱程度。岂不知加上去的这些像章给仪器带来很多问题，首先就是比原来定的总体重量超了许多，比如某件仪器的额定设计重量是三公斤，但往星上安装时却成了三公斤半，这个系统人员会名正言顺地告诉总体人员这超重的半公斤是毛主席像章，在那种历史情况下是没人敢站出来讲增加这半公斤是不对的，但那么多仪器综合在一起，将会使火箭的运载余量减小，必然会降低火箭的可靠性。另外，每台仪器都有自己特定的散热条件，仪器所涂的颜色不同，结构材料的厚度不同，散热的情况也不同，增加了毛主席像章有可能带来许多没有意识到的技术问题。但如果肯定地说在仪器上加个毛主�