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1964年夏，北京某火车站，夜幕笼罩下，两个神秘的军人正注视着上火车的大学生。火车上，宋朝和伍岩松意外相见，伍的恋人郭小艳和师弟向旗也在火车上，他们还认识了来自东北的技术工人孔汉川，大家还是猜测不出火车会把他们拉到哪里去。由于铁路塌方，南下命令大学生和工人们步行到金龙山，在过吊桥时，郭小艳不慎掉进了水里，被乡村姑娘田大秀救起。于风带人找到了大学生，基地司令员丁金龙在暴风雨中宣布大学生们已经是中国人民解放军的一员。在018基地成立大会上，大家在庄严肃穆的《国歌》声中庆祝祖国5周年的生日，同时也接受了国家神圣的使命。郭庄与弟子们立下勾魂崖之约，誓要完成祖国风洞事业。大学生们和留苏归来的江寒带舟、基地政委杜国凯的女儿杜霞月夫妇都被分散住进农民家。田当家家里，大家见到了哭着跑去的田大秀。北方大学，宋朝的恋人薛芸菲参加劳动归来，好友肖明明告诉她宋朝突然离校，不知到哪里，当薛芸菲看到宋朝留给她的八音盒时，心中一片惆怅，她毅然放弃了留校的机会，选择追随宋朝去。丁金龙和杜国凯来田家看望伍岩松，而伍对他们态度不热情，令小艳不满，小艳邀请丁参加他们的篝火晚会，丁欣然答应，并欣赏伍岩松的性格。
篝火晚会上，丁金龙听到了宋朝和伍岩松为风洞设计的争论，非常欣赏他们俩性格各异的个性。基地党委决定举行一次风洞项目论证会，但伍岩松拒绝参加，令众人不满，丁金龙却说要保护伍岩松的才华和个性。大秀喜欢种花，常把山里的花挖回来栽培，伍岩松在与大秀聊天中说出自己也喜欢花。宋朝送小池玉回家，得知了池玉不是丁金龙的亲生女儿。北方大学里，薛芸菲和肖明明得知部队又来学校招生时，急切地来到报名处询问，遇到了02基地的张大河，美丽漂亮的薛芸菲打动了让张大河。薛芸菲想知道自己将去的地方是不是宋明的部队，肖明明帮她找到了郭庄家的地址，但郭庄出差不在家。018基地论证会上，宋朝和江寒舟阐述了自己的观点，伍岩松却拒绝在会上发表观点，并与设计部的于风争执起来，被丁金龙制止。小艳对伍岩松的做法非常生气，伍岩松告诉小艳宋朝的设计有问题，有两组数据不对。
伍岩松找到宋朝，告诉他设计的风洞数据有问题，为此二人又发生了争执，伍岩松生气离去。基地组织力量对宋朝的数据进行重新计算，小艳被抽调了出来，令伍岩松不满，找于风评理，二人争吵。伍岩松看到大家都在热火朝天地进行攻关，心里很落寂，在河边发出感叹，说自己空有一肚子学问，却连一桶水都打不上来，大秀劝慰岩松不要与小艳生气。薛芸菲要参军走了，临行前，她在钟楼下藏下一件东西，肖明明追问，她说是一个梦，青春的梦。等到郭庄出差回来，知道薛芸菲阴差阳错地去了西北02基地。丁金龙让池玉叫宋朝、伍岩松等人来家吃饭，伍岩松谎称自己不舒服不愿来，丁金龙亲自去请他。回来发现池玉伤心地哭，原来为了给宋朝他们改善生活，丁金龙把池玉最喜爱的小兔子给杀了。于风来找小艳要帮她过吊桥，情急之下小艳给杜霞月留下纸条。伍岩松赶到桥头，与于风再次发生争吵。在伍岩松和大秀的帮助和鼓励下，小艳终于能自己过吊桥桥了，小艳从心里感激大秀。
西北02基地，已是训练大队长的张大河来到了大学生集训地看望薛芸菲和肖明明，并告诉芸菲还在帮继续找宋朝。郭庄等空气动力专家来到018基地参加首次项目论证会。顾华来到了农舍看望大家，顾华为女儿小艳的生活环境担忧。郭庄感叹大家能如此艰苦的条件下从事最前沿的科学，他对伍岩松的设计大加赞赏。当宋朝得知薛芸菲走错了地方时，十分失落。小艳告诉伍岩松，自己不是郭庄的亲生女儿，但身体里流的却是郭庄的血。薛芸菲参加雪地拉练萎了脚，张大河关切地让薛芸菲上自己的车。评审会结束，宋朝的一号风洞和江寒舟的二号风洞将上报中央，伍岩松的三号风洞虽设计完美，但因国家资金有限无法实现。小艳带伍岩松见自己的父母，郭庄鼓励他继续努力，并用红酒为两个年轻人订了婚。宋朝和薛芸菲虽然不知对方在何处，却不能阻断思念，二人将相思写进了不知该寄往何处的书信里
中央正式批准了宋朝和江寒舟的风洞项目，宋朝被任命为一号风洞的总工程师。宋朝等人要从农舍搬到工地，临走前与伍岩松告别，伍岩松郁闷地把自己喝醉，把妈妈留给他的项链戴在了小艳的脖子上。基地可以通信了，宋朝想给薛芸菲写信，却不知寄往哪里，丁金龙答应帮他转交。薛芸菲在02基地被评为技术能手，张大河向她表达爱意，薛芸菲让他看了自己给宋朝写得快成小山的信，张大河感动，要尽力帮助找宋朝。02基地的张司令把宋朝的信交到了薛芸菲的手上，二人终于知道对方的下落了。于风把伍岩松调到工地修路的事，被丁金龙严厉批评。伍岩松为了帮大秀，把来相亲的媒婆和男青年轰走。一号风洞已初具规模，杜国凯告诉丁金龙宿舍、学校已经建成，大家可以搬家了，丁金龙专门叮嘱给伍岩松安排一间大房子。
伍岩松要离开田家，大秀依依不舍地目送着他和小艳过桥的背影。丁金龙和杜国凯视察一号风洞，宋朝立下军令状，50天后迎接专家组的验收。于风把小艳抽出来参加“四清”运动，看到了小艳每天疲惫地回来，伍岩松很是心痛。一号风洞完成，丁金龙和杜国凯让宋朝好好休整，并要他到车站接个人，宋朝没想到自己接的是朝思暮想的薛芸菲。疲惫一夜回宿舍的小艳来不及休息又想起要去核对一组数据，结果摔下了山崖，献出了自己年轻的生命，成为为风洞事业献身的第一个人。杜国凯严厉批评于风，于风吐露了自己一直很喜欢小艳。伍岩松在小艳坟前一蹶不振，郭庄让伍岩松振作起来，这样小艳才能安心。大秀为逃婚跳河被救起，伍岩松惊异地发现自己送给小艳的那条项链却挂在大秀的脖子上。
大秀在丁金龙的安排下，在基地当上了花工。高高兴兴回到02基地的薛芸菲却面临着018基地撤消军队编制，她调动的事情无法实现的现实。1967年夏，基地对伍岩松三号风洞再次进行论证，但没有通过。文革小组把丁金龙关进学习班，丁金龙为了保护好知识分子，他让杜国凯把宋朝和伍岩松从岗位上撤下来。02基地张大河与肖明明结婚了，薛芸菲深深祝福他俩，又向宋朝诉说着相思。在田当家家里，宋朝让伍岩松不要放弃，令伍岩松感激。一号风洞因数据的错误造成了飞机失事，宋朝被关了起来，丁金龙为此写信给郭庄，希望中央来制止基地的局面。伍岩松过度劳累昏倒，大秀细心照顾他，伍岩松向大秀要回了那条项链。郭庄如实反映了018基地的情况，并被批准带调查组到了基地调查。伍岩松来看望被关押的宋朝，并答应帮助他找出错误
秀和田当家为了保护伍岩松，偷偷去基地取资料，被造反派发现，田当家因心脏病发作永远地去了。伍岩松在田当家坟前，向田大秀求婚。当伍岩松把文革小组任命他为特号工程总工程师的消息告诉大秀的时候，大秀很为他担忧。向旗、孔汉川无奈地接受了为特号工程的任务。在小艳的坟前，郭庄质问伍岩松，说他干的是反科学反理性的事，但伍岩松却说他需要机会，实现梦想。在关押宋朝的房间里，郭庄很欣慰地看到宋朝在为自己的错误寻找新的计算方法。丁金龙秘密授给了向旗一项任务制止特号工程。伍岩松与大秀悄悄为自己办了一场中西结合的婚礼。当薛芸菲得知宋朝被打成特务的消息后，义无反顾地踏上去018基地的火车，举行了一场没有新郎的感人婚礼。冯组长收到了向旗发回来的全国各地无法加工设备的电报，特号工程进程受阻。1970年春，基地实行了军管，丁金龙恢复了职务，宋朝被批准到西北与薛芸菲结婚。
再次失败的伍岩松沮丧地烧着自己的图纸，大秀哭着不让他烧。丁金龙和杜国凯专程来看伍岩松，希望他振作起来，不要自暴自弃，并亲自带他回到原来的设计室。此时，孔汉川在特号工程新材料的试验中受伤，成了植物人，伍岩松为此感到良心的谴责，经常在病床前为孔汉川念他喜爱的《保尔》一书，以求心灵的安静。郭庄告诉丁金龙，国家又有大项目了，希望基地做好承担国家使命的准备，并说宋朝一号风洞的错误是图纸本身有问题。而此时宋朝也通过计算也找出了错误，他终于明白科学的道路是没有捷径，必须一步一脚印。芸菲也高兴地告诉他自己当控制室主任，让宋朝为她祝贺，宋朝却收到了让他速回的电报。芸菲想让宋朝陪她去他俩的圣湖，终未如愿。丁金龙要为伍岩松和大秀补办婚礼，大秀在婚礼前一直郁郁不乐，向杜霞月说出自己的担心。
伍岩松与大秀的婚礼不尽人意，小艳的照片还放在二人的卧室里，大秀始终认为伍岩松应该是小艳的而不是她的。基地决定上“盾牌”工程，让宋朝和伍岩松合作，而伍岩松表示要自己独立来完成”盾牌”工程，他认为只要宋朝参与，设计就会打折扣，就不是最完美的设计。芸菲怀孕了，生下了女儿宋枫。1973年夏，宋朝技术改造后的一号风洞验收成功，他彻底从一号风洞的失败中站了起来，芸菲带着3岁的女儿宋枫又来到了基地，丁金龙把自己的房子让给了宋朝一家人，令宋朝感动。芸菲向丁金龙提出自己在西北又要带孩子又要工作，希望把宋朝调到自己身边。在勾魂崖上，面对着一座座墓碑，郭庄无限感慨。伍岩松坚持”盾牌”工程要由自己来完成，但丁金龙希望他能与宋朝好好合作，充分发挥各自的才华，伍岩松说他们俩一个是理想主义者，一个是现实主义者，永远走不到一起。
