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我国首部解读中国制造文化密码，弘扬航空报国精神的电视剧。该剧以严谨的现实主义创作精神书写了新中国航空工业70年悲壮伟大的奋斗历程，题材宏大、行业尖端，具有很强的标志性和引领性。
1950年朝鲜战争爆发，秦天、张长江、江行建所在的中队被编入空四师，奔赴东北边境，驻扎在安东（今丹东）浪头机场，在苏联友军的帮助下，参加抗美援朝。为了解决维修部队紧缺的现状，新生的共和国亦开始规划航空工业建设，417厂应运而生。航空工业局吴副局长、厂里的总工杜清明、空四师的颜副司令联合决定向西北工业学院、清华大学、交通大学等有航空专业的院校发出号召，在毕业生中选拔有志青年，同东北航校有机修经验的工人们一起，前去417厂，支援东北边境战场，投入战地维修工作。
在飞机维修过程中，赵德良为了证明自己的能力，与许梦半夜溜进车间，试图修好飞机，却没想到弄巧成拙，被发现违规关了禁闭。秦悦试图向秦天等人求情，但张长江却表示，必须让这群生瓜蛋子明白何为纪律。考虑到目前航空工业人才紧缺现状，秦天和曹慧芳不约而同找到杜总工和颜副司令，为两人说情，从禁闭室里放了出来。
会后，秦天私下找来赵德良、徐梦等商议，你们都是航空院校的高材生，一定有办法解决的。没有铝材的话，是否能有其他材料代替。赵德良翻开教材，一本正经地跟秦天分析，飞机的构造，一处小小的改动都会改变飞机的气动结构，影响飞行安全，这种做法根本行不通。秦天说你别跟我说这些没用的，我是学过航空理论的，这些道理我都懂。活人哪能让尿憋死，办法都是想出来。赵德良又跟秦天扯理论，气得秦天说你就是个书呆子。但维修组一时半会根本想不出，何况赵德良、徐梦他们是第一次接触维修，更是一筹莫展。秦天提出是否可以用牛皮、竹子等代替，都被赵德良反驳了回去。曹慧芳此时进来，看到大家没默默无言，知道事态严重，问了徐梦，才知道大家遇到了难题，根本没有可替代的材料。
雪地里，江行健终于抛下顾虑，不再克制自己的感情，勇敢的向徐梦表白，徐梦则表示，见到江行健的第一刻就喜欢上了他，没想到又能在这里相见，缘分让他们不愿再分开，让相处的每一个瞬间都成为一辈子的美好记忆，徐梦当即说想要想组织申请结婚，江行健表示现在是战时，随时都可能牺牲，徐梦表示不在乎，她也同样做好了随时牺牲的准备，不想错过彼此，留下遗憾。经组织同意，两人结婚申请被批准，在机修大队车间里的飞机下面，举行了别样的一场婚礼，成就了一对战地新人。唯独赵德良有些失落，但看到喜欢的徐梦能够幸福，也释然了。
浪头机场，徐梦没有看到江行健的飞机回来，预感出事，找到张长江询问江行健，张长江伤痛欲绝地说出了江行健牺牲的消息，徐梦无法接受，依然倔强的认为江行健仍然活着，每天为他煲汤等他归来，在意识到江行健再也不会回来后，徐梦心碎欲绝，不由自主的走到了江水湖畔……曹慧芳、赵德良等人发现徐梦不见，急忙前去寻找徐梦。而另一边，派出搜寻秦天的队伍几经搜索，都没有发现他的身影。所有人都担忧秦天也许回不来了，唯有曹慧芳坚信，秦天一定还活着
秦天进行体能测试，身体却因支撑不住倒下，最终医生做出禁飞结论。秦天根本无法接受自己再也无法开飞机的事实，情绪陷入失控。颜副司令看在眼里痛在心里，但是作为军人，必须做出自己的决定。颜副司令告诉秦天要振作起来，不能修就造，曹慧芳冒死把他救出，难道就让他用消沉来报答？秦天被骂醒悟，看着蓝天陷入沉思。夜晚，秦天与颜青在飞机下彻夜长谈，他们约定好了要用不同的方式一起守护梦想，颜青在秦天和张长江的劝说下，终于同意服从命令，与张长江一同前往训练基地进行新的阅兵飞行训练任务。
秦天认为自己基础一般，更应该被派出去学习的是专业出身的徐梦。但徐梦则认为哥哥更是前途无量，而且自己现在有了战鹏，她一心想要照顾战鹏，这是她和江行健唯一的情感联系。曹慧芳亦将照顾徐梦和战鹏的任务揽在自己身上，让秦天能够心无顾虑。秦天最终决定和赵德良一起前往苏联学习飞机设计和制造，打开一片新天地。然而，秦天与赵德良在苏联的学习并不如想象中那般顺利，对于他们来说，首要突破的难关，就是饶舌的俄语……初到课堂，秦天他们就遭遇了下马威，在老师还没来的情况下，一些自大的学员在交流谈论当前国际飞机竞争市场和最先进机型机种，炫耀老大哥的飞机工业和基础工业的雄厚，各种类型的飞机设计局都有。
为了让秦天、赵德良他们开眼界，在实践课上，克拉科夫教授带领秦天、赵德良去了苏联顶尖的飞机设计局，参观了先进的实验室和最先进的米格19/21等机型，同时告诫秦天，飞机制造是工业领域的皇冠，它不是一个单独的门类，与一个国家基本的工业水平、经济水平息息相关，中国是发展中的大国，正在全力发展航空工业，未来像秦天、赵德良这样的人回国后会大有用场。实践课的比试中，秦天和赵德良配合默契，解决了老师提出的难题，回击苏联同学对中国人能力的怀疑和鄙夷，得到了整个学院的尊重和敬佩，最终，两人凭借自己的努力，以良好的成绩名列前茅，终于获得了大家的认可，也获得了克拉科夫的认可。两个最终顺利完成学业，准备回国，投入火热的建设当中。
东风101工程各项基础数据的测绘和零部件的生产都已完备，即将进入总装。组织上命令一定要赶在国庆前完成仿制工作，要让我们自己生产制造的飞机参加国庆阅兵。为了早日夫妻团聚，郑有福加紧了生产任务，希望通过好好表现，让张长江把媳妇儿调到厂里团聚。颜青心疼秦天，为他打了饭送到工作台，却无意发现秦天一本资料中夹着一张柳娃的照片，特别是照片还夹着几句深情的诗歌，颜青的内心波澜不已。颜青渐渐发现自己的身体有恙，自打国庆飞行训练后，经期就不准，每次来都会剧痛无比。但由于训练任务繁重，自己硬抗了下来。而张长江一直看在眼里，提醒秦天工作之余也要多关心颜青，秦天嘴上答应，但任务确实繁重，从而忽略了颜青。
1958年11月27日，三机部颁发“国产飞机命名的通知”，将“飞龙201号机”改为“轰炸B型飞机”，简称“轰B机”。仿制这一型号飞机的任务就落在了417厂身上，秦天作为该项目设计组组长。全国各地的优秀人才向417厂蜂拥而至，工匠能手王大力、计算科技术员杜知秋、还有组织特别邀请的国外留学航空专家徐不周回国支援航空建设，几人在去往扩建厂区的路上相遇。秦天和徐不周在东西方理念上存在差异，互不相让。而在生活习惯与作风上的种种差异，亦在三位宿舍生活中制造出了种种笑料与冲突。
客观条件如此，秦天为不能够尽早开始飞机研制的工作而苦恼。前方要想打胜仗，后方一定要跟上，在张长江、曹慧芳的指挥部署下，417厂的后勤工作井井有条，同时开荒种菜，解决了众人的温饱问题。在后勤工作中越来越得心应手，得到了厂领导及同事们的一致认可。徐不周与秦天、赵德良因在生活习惯上有诸多不同之处，因而矛盾频发，经常闹出令人啼笑皆非的笑话。始终处于徐梦牺牲的伤痛情绪中的赵德良被曹慧芳安排相亲，被迫接受必须与相亲对象程英聊一小时天的任务，却只能全程尬聊。在这短时间里，独处一室的徐不周和秦天也敞开了心扉，坦诚表示虽思想不同，但经过这段时间的观察，欣赏彼此身上对理想的崇高追求精神。
大家为了新飞机拼命干，日夜加班，在众人的努力测算和研制下，轰B的第一架样机圆满成功。当晚，张长江决定举办小型联谊，让我方和苏方专家一起庆贺一下，观看舞蹈节目时，曹慧芳仍坚持不懈的撺掇赵德良一定要把握住与程英的缘分。坐在赵德良身后的杜知秋不断刺挠着赵德良。暴风雨的突然来临打破了欢乐的夜晚，克拉科夫收到了中苏关系破裂、苏方要求援华专家撤离的消息，并要带回所有图纸，中方和苏方的研究人员瞬间呆立当场，设计师们看着警卫们收去图纸无法忍受，赵德良冲到前面对峙，秦天拼死抱着图纸，双方爆发了冲突。杜清明和张长江出面制止，命令秦天要接受现实，再想办法。
张长江终于将郑有福妻子的调令办理下来，然而，郑有福的妻子在老家因病去世，至死没能见最后一面，张长江因为没有完成对郑有福的嘱托，没能尽早将其妻调来厂里，深感愧疚。秦天与徐不周即将动身去寻找小牛皮在工作过程中，赵德良和杜知秋两人的感情渐渐逐步升温，但两人对这样的情感却都没有丝毫的察觉。面对徐不周的点化，赵德良仍不知所云。秦天与徐不周共同踏上了前去寻找小牛皮的艰苦旅程。然而，秦天和徐不周去了发现，没有一张牛皮满足要求，牛皮决不能有一丝伤痕，必须完美无缺。在当地人的带领下，两人只能抓住最后的一丝机会，来到一个老牧民家，索要老牧民的命根子——一个小牛犊。
试飞员李子志因有机玻璃一事进厂寻找秦天，却因为没有进场证，却被程英当场撂翻在地，两人不打不相识，李子志对这样的程英产生好感。程英却认为，自己已经与赵德良在接触，希望李子志能够摆清自己的位置。李子志与秦天共同讨论挡风玻璃材料上最新的定向有机材料，一同前往玻璃厂考察，忙于工作的他将战鹏抛之脑后，忘了接他放学，亦忘记了给他的作业签字。因此，战鹏被同学们嘲笑是没有父母的孩子。不知情况的秦天还是因为战鹏考试分数太低严厉批评了战鹏。
江战鹏将邮票拿回家中偷偷临摹，而这张邮票被曹慧芳发现，成为破案的重大线索。战鹏接受保密部门的询问，承认了自己的邮票是从王大力叔叔那里来的，众人抽丝剥茧，终于发现了王大力的行踪。王大力暴露后，组织以他的家人威胁，威逼他在轰B首飞之前毁掉飞机。王大力乔装之后，混入绝密车间，准备毁掉这架无数人心血的原型机，却没想到杜清明因为放心不下飞机，在机库里做着最后的检修，情急之下，王大力被迫开枪，杜清明受伤。此时众人赶到，准备抓捕王大力。王大力看着秦天、赵德良、江战鹏等人，突然想到这些人就如同自己的家人一样，他不想再为国民党做事了，这架轰六也是自己的心血，最终他做出了艰难的决定，主动放弃了。
郑有福妻子去世后，他将儿子郑国强带到417厂抚养，郑国强与小弟弟江战鹏成为好友。借着团聚的场合，张长江正式向颜青同志求婚，颜青的点头同意令在场的秦天颇感难受，他知道，从这一刻起，他与颜青的缘分，终结了。用酒精麻痹自己的秦天让曹慧芳看在眼里，十分心疼，直到此刻言语无用，她端着碗，与秦天共饮。借着酒劲，曹慧芳忍不住说出了自己对秦天的敬佩与爱慕，然而，秦天却久久无法作出回应。曹慧芳自嘲离去，决定收起对秦天的感情，然而，秦天在夜色下梳理着自己与曹慧芳过往的点滴，秦天终于看明白了自己内心所想，这个女人虽然平凡，但是永远默默守护自己，陪伴在自己的身旁，他需要的爱或许就是这样的相濡以沫不离不弃。
在众目睽睽之下，秦天牵起了曹慧芳的手，决定与她共度一生。秦天和曹慧芳、颜青和张长江、赵德良和杜知秋三对新人的结婚都被批准，迎来了新生活。几人结婚之后，生活有条不紊的向前，秦天在417厂的工作也愈发的顺利起来。就在此时，两人爱情的结晶——女儿秦悦降生，家中上下都洋溢着喜悦。赵德良和杜知秋也生下了孩子赵云飞，搬进了新家。随后不久，文化大革命开始，红色的浪潮席卷全国。417厂也受到革委会的冲击，曹慧芳站出来想要保护秦天，没有成功，有着苏联留学背景的秦天被扣上了反动学术权威的帽子，被送进了五七干校学习。赵德良、徐不周、郑有福等通通遭受不公。
为了欢迎秦天回来，曹慧芳组织赵德良、郑有福和一众孩子在家里吃饭，颜青再次见到秦天，千言万语尽在不言中，两人握手言和，放下了曾经的芥蒂。众人感慨最艰难的日子总算熬过去了。因为秦天在运8的仿制研究工作中表现出色，组织派秦天回到417厂。此时417厂仿制的航-7运输机面临科研难关，虽然首飞成功，但面临定型的难题，秦天再次回到了熟悉的工作岗位。赵德良也回到了研究所里，再次和秦天搭档，两人都成为了设计师。
秦悦收到父亲送的白衬衫，深为感动，穿着它参加了文艺汇演，坐在台下的秦天、曹慧芳等人不禁感慨，女儿长大了。稍微有所缓和的父女关系，却在秦天无意看到女儿成绩单，特别是糟糕的数理化成绩之后，再起冲突。秦天对女儿发了火，他接受不了自己的女儿的成绩是这样的。父女俩爆发了大冲突，秦天说了不让秦悦再弄文艺和舞蹈这些事儿。伤心欲绝的秦悦气急之下跑了出去。
在与海军的沟通中，副司令向秦天提出了对新机型的需求：采用美国F-14那种纵列双座，如果可以实现便会提供经费。但秦天等人却陷入忧虑，这样的设计与空军部分并座的理念需要相互冲突。秦天和没有放弃，进行了没日没夜的实验设计。设计完成后，秦天为了能说服海军支持飞鹰，最后通过数据证明，说服了空军采用串座设计，同时得到了海军的经费支持。秦天就在门口堵着海军司令员，拦住之后说我要10分钟，最终打动了海军司令员。
