孙家栋的留学生活非常充实且刻苦。他在苏联茹柯夫斯基空军工程学院学习飞机发动机专业，为期7年。在这期间，他展现出了极高的学习效率和记忆力，每天晚上看完新闻后一直攻读到深夜两点，一门功课七八章内容，几天时间就能从头背到尾，考试时一拿到试卷，想都不用想，便可提笔一气呵成。他的努力得到了回报，毕业时获得了苏联最高苏维埃颁发的斯大林奖章，这是所有军队院校学生梦寐以求的，意味着毕业后军衔比其他同学高一级，并且有优先选择工作的权利，报到前还能带着双倍工资休假3个月。孙家栋在苏联期间还光荣地加入了中国共产党，立志为中国人民的事业奉献自己的力量。