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中国探月工程虽然比美国、俄罗斯晚了四十多年，但要在科学上走出中国的创新特色，深化人类对月球的认识，为详细探测和资源开发打好基础，要有所创新，起码要接近或达到目前国际领先水平，同时使成果在国民经济各个领域逐步得到应用。
"嫦娥一号"卫星由于是中国第一次向深空探测领域的迈进，是第一次对地球以外的星体进行近距离探测，一期工程面临着一系列新的关键技术和难点，须突破系列关键技术，比如轨道设计与飞行程序控制，远距离跟踪测量与地面操作控制的实现等这些以前从来没有遇到过的问题。
孙家栋作为探月工程"五大系统"总设计师，在工程方面他考虑最多的问题自然是工程目标的实现、关键技术的解决途径和大系统的配套协调。首先要确立工程目标，找出主要矛盾，将各系统与之相关的问题搞清楚。以往我国开展的航天活动，全部是在地球引力场作用下的环绕地球运动的航天器，实现对地遥感、通信、数据传输、载人飞行等任务。要实现月球探测，则必须使航天器飞出地球引力场，进入到38万公里远的月球引力场。由于月球以及月球与地球、太阳的相对关系具有其固有的特点，因此，研制和发射月球探测卫星是一个复杂的三体定位问题，与一般的地球卫星有很大的不同。
在制定"嫦娥一号"卫星技术方案的会议上，作为总设计师的孙家栋非常果断地说出了自己的观点，他认为，"嫦娥一号"探月卫星如同其他人造卫星一样，也是由卫星平台与有效载荷两部分组成。在满足技术指标要求的前提下，尽量采用成熟技术，不仅可以提高可靠性，减少资金投入，而且可以缩短研制周期。然而，作为一项新的航天工程，必然是国家最高新技术的集合和应用，必然要采用大量当代最先进的技术，需要研制大量新设备，会遇到和攻克从来没有接触过的新问题。因此，需要将成熟技术与新技术科学地交错使用，最大限度地保证可靠性，保证工程目标的实现，保证为后续任务的发展奠定尽可能多的理论与实践基础。虽然孙家栋说他是在抛砖引玉，供大家制订方案时参考，但大家非常统一地认为这个观点应该作为开展工程的原则。
孙家栋的脑子里经常在反复思考着在地球、月球、卫星三体运动的关系。地球、月球、卫星三体运动条件下，月球探测卫星的轨道设计，较以往地球、卫星相对运动条件下的设计更为复杂。
孙家栋举了个例子说："卫星在地球上发射，但在发射那一刻，月球在太空的什么位置？因为地球与月球都在时刻不停地转动，地球在什么季节与月球的距离最近？最有利于发射控制？都是非常严格的，对运载火箭轨道设计的精确度要求则更为严格，对各个系统的要求也非常苛刻。"
孙家栋还讲道："探月卫星的发射，计算好在某一天、某一时段几点几分发射轻易是不能变的。"说到这里，他竟然很流利地像小学生背数学口诀似的说："比如计划好要在某年的4月18日发射，发射时间就要定在6时23分，如果推迟一天，就是6时28分，再推迟一天，就成为6时33分。本来发射就是一件很难的事情，卫星又必须确保在这个时间里准确发射升空就更是难上加难。火箭点火是牵动全局的事情，与之有关的火箭、卫星、发射场、测量控制、通信保障等系统，都要保证与这一发射时间绝对同步，绝对是新的尝试，当然也是一场挑战。仅五大系统绝对同步这一要求，就是中国以前所有的航天发射从来没有经历过的。"
孙家栋多年来养成了一个习惯，脑子里只要装上了问题，就会觉得茶无味、饭不香，他会沉默寡言，日思夜想。有好几次，有时是半夜，有时是凌晨，老伴醒来发现床上的老头不见了，细听房间没有一丝动静，吓得她大喊。孙家栋却很沉稳地说："你睡你的觉，不要大惊小怪。"原来，孙家栋夜里起来看到窗外挂在空中那明亮的月亮，总会身不由己地到凉台上看上几眼，他仔细看着月亮在慢慢地移动，心里在默默琢磨月亮与工程总体的一些技术方案的联系。有时他在窗前一站竟是几个小时，折腾得老伴也睡不踏实，一会要给他披衣服，一会要给他搬椅子让他坐在那里看。但有一条，老伴会看他的眼神行事，绝不敢打乱他的思绪惹他不高兴。有一次，孙家栋在凉台上从后半夜一直站到了天空泛白、月亮轮廓变淡的时候，老伴才打趣地说："月亮真好看是么，看够了，看出名堂了，呵呵，是不是该吃早饭了，司机都该来接你了。"这时的孙家栋却似乎没有倦意，早饭吃得似乎比平常还要多，想必是观察月亮有了新的感悟……
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