三年初，跟随孙承宗出镇山海关，又吸取了孙承宗车营的大量成熟设计，并开始潜心研究火器守城战法，撰写了《论台铳事宜书》《改造火器呈》等文。他抵达山海关后，在城上布置50余门红夷炮和2000余门灭虏炮。

最终孙元化以“安辑关外八城”“斩获八百有奇”的战功加山东按察副使，两个月后再被同样支持使用火器的兵部尚书梁廷栋给推荐为登莱巡抚，除了要管理登州、莱州和东江镇外，还有光复辽南四卫的责任。于是孙一跃成为明末天主教徒和西洋火器技术专家中兵权最重的一个，可以实现他建立西洋火器部队的设想。

但是，当孙元化到达登州的时候，他却面临一个烂摊子。熊廷弼“三方布置策”虽然有相当战略眼光，但在缺兵少将，断粮短饷的客观条件下，被执行得乱七八糟。这其中要数皮岛最是“食之无味弃之可惜”。1621年即天启元年五月二十日，在“辽沈陷落”的背景下，辽东巡抚王化贞派毛文龙率领4艘沙船，197名士兵从海路东进袭击后金控制的镇江。这一行动基本符合熊廷弼从海路在辽东辽南开辟抗金第二战场的计划。

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