【原创连载】中国的月球与深空探测(一)(长文预警)

本文为网友投稿,原作者:奶昔,全篇共三万字,限于篇幅,将分析连载刊发,希望大家喜欢。

1. 中国月球探测的回顾

1.1   嫦娥工程的总体思路

嫦娥工程是一项复杂的多学科、高技术集成的系 统工程,极具创新性、挑战性和风险性。如何在当前的技术水平和有限的经费条件下,选择正确的技术路线,使科学目标通过工程的实施变成现实,是首先要 回答的问题。要想取得工程的成功,必须要对诸多因素进行反复衡量、比较、统筹,找到一个平衡点,求出系统的最佳(和谐)配置,找到最佳的性本比,实现整 体大于部分之和,达到整体的最优水平。 2003年前后,国防科工委组织开展月球探测工程的论证和准备。结合我国当时科技、经济条件,本着实事求是、有所为有所不为的原则,确定以探为主攻方向,分“绕”“落”“回”三步实施,逐步积累知识和经验,循序渐进,不断跨越。步与步之间有机衔接,前一步是后一步的基础,后一步是前一步的跨越;任务与任务承前启后,尽可能利用前一次的成果,为后一次任务多做验证。具体计划如下:

一期工程———“绕”,2004—2008年,实现对月球的全球性、整体性和综合性环绕探测;

二期工程———“落”,2008—2014年,实现月球软着陆,对月面进行就位探测和巡视勘察;

三期工程———“回”,2011—2020年,实现月球样品自动取样并安全返回地球。

1.2   一期工程

总的指导思想为快速、可靠、经济地完成“绕”的任务,确定一期工程的技术路线是:充分利用成熟技术、现有条件和装备,经过适应性改进,在有限的资金支持下、在确定的周期内,有把握地完成工程任务。简单地说,就是采用最成熟的技术、最可靠的性能和最低的成本,实现原始创新和集成创新,确保完成中国首次月球探测任务。 1)任务目标选取

在工程目标的选取上,考虑到这是我国首次开展月球探测,应以稳妥可靠为首要原则,重点关注基本技术的突破和初步系统的构建,确定了以下5工程目标:

①研制和发射我国第一个月球探测卫星;

②初步掌握绕月探测基本技术;

③首次开展月球科学探测;

④初步构建月球探测航天工程系统;

⑤为月球探测后续工程积累经验。

对于科学目标的选取,工程总体坚持科学创新,根据“有限目标、有所创新、以图为主、兼顾其他”的方针,确定了以下4科学目标:

①获取月球表面三维影像;

②分析月球表面元素含量和物质类型分布;

③探测地月空间环境;

④探测月壤特性。

围绕这四项科学目标,选用CCD相机、干涉成像光谱仪、微波探测仪、激光高度计、 γ/X 射线谱仪、高能粒子探测器、太阳风离子探测器7个载荷,实现多手段探测。

2)任务设计

飞行任务过程规划为发射、调相轨道运行、地月转移、近月制动、环月运行5个阶段。 采用轨道拼接、自后往前的方法进行轨道设计。根据科学探测需求和轨道自维持能力,设计首次月球探测的使命轨道为高度200km 的极月圆轨道;出于稳妥和减小重力损耗的考虑,设计3次近月点减速机动,分别将轨道调整为周期12h的大椭圆轨道、周期3.5h的椭圆轨道和周期127min的圆轨道;

根据发射方案、火箭能力和轨道光照条件,选择确定倾角31°、飞行时间114h 的地月转移轨道(LTO);出于稳妥、减小重力损耗、延续发射天数、有利于飞控等考虑,设计一次远地点加速和3次近地点加速机动,分别将轨道调整为周期16h、24h、48h的椭圆轨道和LTO。 发射窗口包括发射机会及每次发射机会可延续的时间间隔两部分。根据火箭能力和卫星光照要求,每月可保证一次发射机会。考虑到运载火箭系统和发射场系统组织发射的要求,将每次发射机会的可连续发射天数延长至3天,且每天的发射窗口宽度设为35min。

3)系统构建

“嫦娥1号”卫星的平台选择了我国“东方红3号”卫星的公用平台,当时该平台已成功地用于7颗通信卫星,是一个成熟可靠的平台。在该平台基础上,结合其他卫星的经验和技术成果进行重新设计,以满足探月任务的特殊要求。运载火箭选用“长征3号甲”火箭。到工程立项之时,该火箭已成功完成了8颗卫星的发射任务,成功率100%,且其中7颗是使用“东方红3号”卫星平台的卫星,星箭接口协调一致。对“长征3号甲” 火箭进行适应性设计和改进后,其运载能力、入轨精度等技术性能完全可以满足任务需求。发射场选用西昌卫星发射中心。该中心纬度低,适用于我国地球同步轨道(GTO)卫星等高轨卫星的发射。截至工程立项,该发射中心已成功完成了35次卫星发射任务,是技术、设施、经验都十分成熟的发射场。对该发射中心的相关设施进行适应性 改进后,完全可以满足超GTO轨道发射的工程要求。 测控系统由我国当时已有的统一S频段航天测控网(USB),辅以甚长基线干涉天文测量系统(VLBI)组成。S频段航天测控网先后圆满地完成了我国历次火箭和卫星的测控通信任务,是比较完善的卫星测控通信网。VLBI测轨分系统具有很高的测角精度。这两者配合,可以满足“嫦娥1号”卫星远距离、高精度的测控要求。此外还通过开展国际协作,增加测控覆盖率。研制中期,又新建了喀什和青岛两座18m接收天线,提高星地测控链路电平余量。

地面应用系统是个全新的系统,通过新建密云50m和昆明40m两座数据接收天线和总部相关设施设备,具备了科学数据接收、处理和解译的能力。

4)实施效果

“嫦娥1号”于2007年10月24日成功发射,至2009年3月1日受控撞月,共在轨运行494天,圆满完成了既定使命,实现中华民族千年奔月梦想,树立我国航天史上的第三个里程碑。“嫦娥1号”在1年设计寿命期满后,又开展了多项拓展任务,获取了大量的科学探测数据,大大丰富了对月球的认识。 同时,通过一期工程的实施,在以下9个方面取得了技术创新,为后续任务奠定了坚实基础:

①总体集成技术;

②轨道设计技术;

③环境适应和能源技术;

④飞行控制技术;

⑤远距离测控通信技术;

⑥高精度测定轨技术;

⑦火箭可靠性增长技术;

⑧月球科学探测、数据接收与研究技术。

总的来说,为了确保我国首次月球探测这个创新性任务的首发成功,这条技术路线利用成熟技术进行集成创新,以掌握能力为主,在技术上有所求稳。实践证明,这条技术路线充分体现了确有把握、 确有创新、确有带动的3条原则,全面实现了工程系统的全局优化和系统工程的全局统筹,用比较少的投资和较短的时间,又好又快地完成绕月探测的任务。

1.3   二期工程

1.3.1    “嫦娥二号”(二期工程先导任务)

在“嫦娥1号”任务圆满成功之后,嫦娥工程二期立项,其主要目标是实现月面软着陆和巡视勘察。考虑到其关键技术多、技术跨度大、实施难度高,为降低月面软着陆技术风险、积累工程经验,决定利用 “嫦娥1号”备份星,进行适应性改进,作为二期工程先导星,先期验证落月的部分关键技术,并对预选着陆区进行高分辨率成像。 “嫦娥2号”的技术路线是:创新设计多目标顶层任务,充分继承成熟技术和产品并进行性能和功能升级,突破相关新技术,提升系统整体能力,形成并验证适用的行星际探测新平台。简单地说,就是通过综合集成创新牵引成熟技术升级和新技术突破,实现任务级创新和应用创新,确保完成行星际多目标探测任务。

  • 任务目标选取

“嫦娥2号”兼顾了技术验证和科学探测。围绕技术验证的任务需求,确定多个试验验证和深空探测新技术验证项目。其工程目标为:

①突破运载火箭直接将卫星发射至LTO的发射技术;

②验证100km月球轨道捕获技术;

③验证100km×15km轨道机动与快速测定轨技术;

④对“嫦娥3号”任务预选着陆区———虹湾地区进行高分辨率成像试验;

⑤试验X频段深空测控技术,验证深空测控体制; ⑥试验12Mbps高速数据传输和低密度奇偶校验码(LDPC)遥测信道编码、轻小型CMOS监视和降落相机等高新技术。

科学探测方面基本与“嫦娥1号”相同,以获取高分辨率全月图为侧重,确定以下4项科学目标:

①获取月球表面三维影像,分辨率优于10m;

②探测月球物质成分;

③探测月壤特性;

④探测地月与近月空间环境。

“嫦娥2号”配置了7台有效载荷设备,与“嫦娥1号”基本相同,但去掉了干涉成像光谱仪。重新研制了更高分辨率的TDI-CCD立体相机和更高重复频率的激光高度计;对X射线谱仪和γ射线谱仪进行了改进升级,提升了探测能力;微波探测仪、太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器基本保持不变。 进入拓展任务阶段后,基于“加速提升能力、推进技术发展”的思路,以验证距地更远的行星际探测技术、积累深空探测工程经验为目标,深化论证了扩展任务阶段的试验项目。按有序衔接、分步实施的原则,最大限度地发挥卫星潜能,以跨越行星际、 突破新距离为基本目的,设计了月球轨道深化探测、 日-地拉格朗日L2点环绕探测、4179小行星飞越探测等3阶段、多目标探测任务。

2)任务设计

飞行任务过程规划为发射、地月转移、近月制动、环月运行4个阶段。“嫦娥1号”是首发任务,其调相轨道设计比较稳妥可靠,但飞行时间较长。而作为技术验证性任务的“嫦娥2号”则采用了更加高效的直接LTO发射。运载火箭将卫星直接送入近地点高200km、倾 角28.5°、飞行时间112h的LTO;卫星到达100km 高的近月点后,分3次实施近月制动,分别将轨道调整成周期12h、3.5h的椭圆轨道和高度100km的极月圆轨道。在100km的环月轨道上运行时,择机在月球背面制动将近月点降到15km,对虹湾进行高分辨率成像。 与“嫦娥1号”类似,“嫦娥2号”在每月有一次连续3~4天的发射机会,每次发射机会中每天只有一个宽度为35min的发射窗口。通过“嫦娥2号”,验证了“嫦娥3号”任务直接地月转移轨道发射的技术。

  • 系统构建

卫星平台沿用“嫦娥1号”卫星大部分设备产品,并进行改进升级,提升了推进能力、测控通信和数传能力、机动飞行能力、热控适应能力、科学探测能力;新增技术试验分系统包含了所有新技术验证设备;为深化科学探测,有效载荷设备或新研或大改。 运载火箭选用能力更强的“长征3号丙”运载火箭,对火箭进行适应性改进以提高入轨精度,满足直接LTO发射的任务需求。 发射场仍采用西昌卫星发射中心,进行适应性改进。测控通信系统沿用经过“嫦娥1号”任务检验的 测控体制和设施设备,对两座18m天线进行改造升级,并开展深空测控新技术试验。在任务后期,利用二期工程新建成的喀什35m、佳木斯66m大型深空站和上海65mVLBI站开展了空间测试和标校试验,验证新研设备的正确性和协调性。地面应用系统基本与“嫦娥1号”任务相同,做 了一些适应性改进。

4)实施效果

“嫦娥2号”卫星于2010年10月1发射,至2011年4月1日半年设计寿命期满,全面实现既定的六大工程目标和四大科学探测任务。随即于2011年4月下旬至5月底,开展了补拍月球南北两极漏拍点和再次对“嫦娥3号”预选着陆区进行高清晰成像拓展试验。2011年8月25日起,“嫦娥2号”环绕日地L2点进行了为期10个月的科学探测,获得了地球远磁尾离子能谱、太阳耀斑爆发和宇宙伽马爆的科学数据。2012年12月13日近距离 飞越探测4179图塔蒂斯(Toutatis)小行星,并对其进行光学成像。此后“嫦娥2号”一直朝向更远的深空飞行。 “嫦娥2号”任务取得了以下8个方面技术创新:

①国际上首次获得7m分辨率全月图,优于1.5m局部影像图;

②国际上首次实现从月球轨道飞向日地拉格朗日L2点,开展科学探测; ③首次实现4179小行星探测;

④获取了一批重要科学探测数据,首次发现月表铬元素、微磁层、太阳风加减速;

⑤突破直接LTO发射和飞行技术;

⑥突破近月点15km轨道短弧段、快速测定轨技术,建立了我国自主知识产权的月球重力场模型;

⑦首次成功实现100km×100km和100km×15km环月探测;

⑧首次验证X频段深空测控、LDPC遥测信道编译码等技术。 实践证明,这条以顶层任务创新和系统集成创新带动成熟技术升级和新技术突破的技术路线,用很少的投资和较短的时间,又好又快地实现了多目标多任务探测的任务级成果,奠定了行星际及小行星探测器平台及相关核心技术基础,创造了“低成本、高质量、高回报”深空探测任务的典范。

1.3.2    “嫦娥三号”(二期工程主任务)

作为二期工程主任务,“嫦娥3号”要实现月球表面的软着陆和巡视勘察。相比“嫦娥1号”“嫦娥2号”的绕月飞行,“嫦娥3号”任务的技术跨度极大,着陆、巡视这两大关键环节的相关技术都没有成熟技术可以继承,需要攻关突破,而且整器大部分产品需要新研。但另一方面,经过几十年的发展和“嫦娥1号”任务的实施,中国航天已经具备了相当的技术实力。在这种情况下,确定其技术路线为:瞄准当今世界发展水平,高起点地确定功能与性能指标;以航天几十年来积累的技术能力为基础,针对新领域中所遇到的新问题,完全自主地进行技术上的原始创新和集成创新,通过大量的设计分析、关键技术公关和地面验证试验,以正面攻坚的方式全面突破月 球软着陆和月面巡视的核心关键技术。

1)任务目标选取

围绕二期工程的核心任务,确定“嫦娥3号”的工程目标为:

①突破月球软着陆、自动巡视勘察、深空测控通信、月夜生存等关键技术,提升航天技术水平;

②研制月球软着陆探测器和巡视探测器,建立地面深空站,获得包括运载火箭、探测器、深空站等在内的功能模块,具备月球软着陆探测的基本能力;

③建立月球探测航天工程基本体系,形成重大项目实施的科学有效的工程管理方法以及人才队伍,推动我国深空探测活动的持续发展。 科学目标为:

①月表形貌与地质构造调查;

②月表物质成分和可利用资源调查;

③日地月空间环境探测和月基光学天文观测。

围绕上述科学目标,采用多个谱段和多种探测手段,确定在着陆器配置地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、降落相机4种有效载荷,在巡视器配置全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪4种有效载荷。各有效载荷既相互协同工作,共同完成科学探测任务,又各有侧重点;既包括标准配置仪器,如光学相机,又包含具有独创性的仪器,如极紫外相机、测月雷达等。

2)任务设计

飞行任务过程规划为发射、地月转移、环月、动力下降、月面工作5个阶段。 “嫦娥3号”着陆区的选择遵循工程技术上可行、科学上有特色的原则,确定着陆区为42.6°~45.6°N、18.2°~34.6°W。 与前两次探月任务类似,“嫦娥3号”轨道也采用自后向前的方法进行设计:首先对着陆区的光照和测控条件进行分析,确定满足着陆条件的时机,然后确定着陆前的环月轨道参数和运动特性,再依据地月转移轨道的特性分析,共同确定地月转移轨道的范围,最后依据运载火箭和地面测控的能力约束,共同确定满足大系统约束的发射窗口。在西昌卫星发射中心,采用“长征3号乙”运载 火箭,将探测器送入近地点高200km、倾角28.5°、 飞行时间112h的大椭圆LTO。探测器与火箭分离后,经中途修正,在近月点实施一次制动,实现月球捕获,进入100km高的极月圆轨道。在环月圆轨道运行期间,探测器择机实施轨道机动,进入100km×15km的椭圆轨道。在椭圆轨道运行期间,探测器择机从15km近月点实施软着陆制动,先后完成主减速、快速调整、接近、悬停、避障、缓速下降等动力下降过程,实现月面软着陆。着陆后,巡视器和着陆器分离,两器各自开展科学探测。 “嫦娥3号”不再采用“嫦娥1号”“嫦娥2号”的35min宽发射窗口,而改为每天两个相隔40min以上的发射窗口,第一窗口宽度4min,第二窗口宽度1min。这样一来,通过提升发射场和运载火箭系统组织发射的能力,既能大幅减少探测器用于修正发射时间偏差的推进剂携带量,又能保证发射窗口切换时间的需求。

3)系统构建

“嫦娥3号”探测器是一个全新的航天器,新技术和新产品的比例高达80%。通过自力更生、集智攻关,突破着陆器制导导航与控制、推进、着陆缓冲、 热控制和巡视器移动、自主导航与遥操作控制等一系列关键技术,新研月球着陆器和巡视器;新建特种试验设施,突破地面试验,满足仿真与地面试验验证的需求。 运载火箭选用我国当时能力最强的“长征3号乙”火箭,采取多种改进措施来提高运载能力、入轨精度、可靠性及关键动作监视能力,满足多窗口多弹道发射的任务需求。 发射场仍采用西昌卫星发射中心,进行同位素源存储厂房、RF转发等适应性改进,满足“长征3号乙”运载火箭和“嫦娥3号”探测器的测试、发射需求。测控通信系统除了传统的USB测控网加VLBI测轨分系统外,新建喀什35m、佳木斯66m大型深空站组成深空测控网,新建上海65mVLBI站提高了VLBI观测精度,并采用同波束干涉、相对差分单向测距等技术,进一步提升测定轨精度和测控距离,以满足任务需求。 地面应用系统对原有设施设备进行了适应性改进,并新建遥科学实验室,进一步提升科学载荷任务规划和科学数据处理、解译能力。

4)实施效果‘’

2013年12月2日,“长征3号乙”运载火箭成功发射,并以极高的精度将“嫦娥3号”探测器送入地月转移轨道。12月14日,“嫦娥3号”成功着陆 在月球北纬44.12°、西经19.51°的预选虹湾着陆区,着陆精度优于1km;12月15日,巡视器与着陆器成功分离,驶抵月面,并与着陆器实现两器互拍,标志着任务圆满成功;随后,两器各自独立开展了相应的多种科学探测任务,获取了大量探测数据。目前,着陆器已经度过了一年寿命期,仍在开展探测;巡视器在行驶了114m后,遭遇了移动系统控制故障,无法继续前进。 “嫦娥3号”的圆满成功,为我国航天事业发展树立了新的里程碑。通过“嫦娥3号”的实施,在以 下7个方面取得了技术创新:

①国际首次实现基于全自主避障的月球软着陆,使我国成为国际上第三个完成月球软着陆的国家;

②首次实现我国航天器在地外天体巡视;

③国际首次采用低重力辅助两相流体回路和光照唤醒技术,实现了探测器在极低温度环境下的月夜生存和自主唤醒;

④首次突破我国LTO高精度入轨和低温火箭多窗口、窄宽度发射技术;

⑤首次研制我国大型深空站,初步建成覆盖行星际的深空测控通信网,实现了我国深空测控的重大跨越;

⑥首次研制建设了一系列高水平特种试验设施,创新形成了一系列先进试验方法、规范和标准;

⑦我国首次开展月面就位和巡视探测,获得国际多项首创科学成果。

实践证明,这条以正面攻坚方式实现新技术突破的技术路线,稳打稳扎,步步为营,基本按照预定计划,全面攻克了各项关键技术,较好地完成了月球 软着陆任务和巡视探测任务,大大夯实和提升了我国航天技术水平。

1.4   嫦娥四号任务

1)引言

月球, 是地球唯一的天然卫星, 是距离地球最近的自然天体. 通过人类航天器近60年的探测活动, 我们获得了大量关于月球地形地貌、元素分布、重力场、磁场等的科学信息. 但月球背面, 仍然是人类航天器尚未踏足的陌生土地.

所谓月球背面, 是指地球上无法直接观测到的月球表面的部分. 在地球对其的潮汐锁定效应作用下, 自转与公转周期一致, 使其始终有一面朝向地球(约占其60%面积), 另外的一面始终背向地球, 我们称之为月球背面. 月球背面, 由于其特殊的空间位置, 使其在地月系形成与演化研究、宇宙低频射电观测等方面具有月球正面所不可比拟的独特优势, 是月球科学家梦寐以求的理想探测目标. 嫦娥四号探测器, 于2018年12月8日发射, 实现人类首次月球背面软着陆, 开展就位与巡视探测, 并通过中继星将探测数据传输回地球.

2)目标与挑战

经过充分论证, 嫦娥四号任务的科学目标为:

(1)月基低频射电天文观测与研究;

(2)月球背面巡视区形貌和矿物组分探测与研究;

(3)月球背面巡视区浅层结构探测与研究.

月球背面, 由于其特殊位置, 使其具有月球正面所不具备的特点. 一方面,它屏蔽了来自地球的各类无线电信号, 是对宇宙电磁波谱探测的最佳地点; 另一方面, 具有月球最大、最深、最古老的盆地南极-艾特肯 (SPA)盆地, 保存了月球的早期信息, 因此对于研究月球和地月系的初期历史和演化、深层次的构造和成分具有重要意义. 嫦娥四号探测器的着陆区确定为月球背面的南极-艾特肯盆地内, 其科学目标的实现对科学研究具有重要意义:

第一, 对研究月球与行星的形成与演化具有重要意义: SPA盆地最深处与周围高差可达13 km, 其中的撞击坑保留完整, 退化程度低, 没有明显的辐射纹, 这些特点和月球正面有较大的不同. 因此, 对SPA的研究, 有可能揭示下月壳甚至上月幔的物质和岩石组成状况, 从而成为研究月球深部物质组成的重要窗口, 对月球的热历史演化和早期分异过程研究具有重要意义.

第二, 月球背面是低频射电观测的最佳地点: 对电磁波进行天文观测是认识宇宙最有效的手段之一. 目前, 人类已经开展了紫外、射电、X射线、红外及毫 米波、Gamma射线等绝大多数谱段的观测, 但迄今为止未能有效观测超长波(波(超长波(超长波(<30 MHz). 超长波的探测对于全天空成像/离散射点源连续巡天、宇宙黑暗时期特征、太阳物理和空间天气以及极高能宇宙线和中微子具有重要的研究价值. 由于电离层阻挡和地球射电干扰, 使得地面无法实现超长波观测. 科学家发现, 月球背面由于其自身屏蔽了来自地球的电磁干扰, 从而成为理想的宇宙低频射电观测的场所. 目前, 国内外已开展的低频射电观测主要是星载绕月研究, 尚未见在月表开展低频射电观测的报道

3)任务设计

3.1) 探测器系统组成

嫦娥四号探测器系统由着陆器、巡视器和中继星 “鹊桥”组成, 如图所示, 由中国空间技术研究院抓总研制. 嫦娥四号着陆器、巡视器在嫦娥三号探测器的基础上, 针对月球背面软着陆、中继通信、月夜工作等任务特点, 开展了系统设计与优化, 新增、更改了部分关键软硬件产品. 嫦娥四号中继星以中国空间技术研究院 CAST100平台为基本平台, 进行适应性改造并新研了部分关键产品. 着陆器由结构与机构, 着陆缓冲, 热控, 一次电源, 总体电路, 测控数传, 制导、导航与控制(GNC), 推进, 数管, 定向天线, 有效载荷共11个分系统及工程参数测量设备组成; 巡视器由移动、结构与机构、GNC、综合电子、电源、热控、测控数传、有效载荷共8个分系统组成; 中继星由平台和载荷两部分组成, 其中载荷包括中继通信、天线、科学载荷与试验3个分系统; 平 台由星务管理、GNC、测控、电源、结构与机构、热控6个分系统组成.

3.2) 飞行任务概貌

嫦娥四号任务分为两次发射, 发射时间间隔约半年. 第一次, 中继星采用长征四号丙运载火箭在西昌卫星发射中心发射. 由运载火箭送入近地点高度200 km、远地点高度约390000 km的地月转移轨道; 地月转移过程中, 安排1~3次中途修正, 约5天后到达月球附近;在距月球表面100 km的高度实施近月制动, 随后借力飞往地月L2平动点, 根据需要进行中途修正, 飞行约4天后, 到达地月L2平动点附近; 其后通过3次 轨道捕获控制和相应的修正, 进入到绕L2平动点运行的Z向振幅为13000 km的南向Halo使命轨道. 在使命轨道运行期间, 定期进行轨道保持. 中继星已于2018 年5月21日成功发射, 目前已完成卫星平台和有效载荷在轨测试和中继天线指向标定, 具备了对着陆器和巡视器提供中继通信服务的能力. 嫦娥四号中继星飞行过程如图所示.

第二次, 着陆器携带巡视器采用长征三号乙改二型运载火箭在西昌卫星发射中心发射. 由运载火箭送入近地点高度200 km、远地点高度约420000 km的地月转移轨道. 与火箭分离后, 在地面测控支持下, 经中途修正, 飞行约5天后在近月点实施制动, 实现月球捕获, 进入高度100 km的环月圆轨道. 在环月圆轨道运行期间, 开展与中继星的中继链路在轨测试; 择机实施轨道机动, 进入100 km×15 km的椭圆轨道, 之后择机于近月点实施软着陆动力下降, 完成主减速段、调姿下降段、悬停段、缓速下降段、缓冲着陆段等过程, 实现月球背面软着陆. 着陆月面后, 在中继星支持下, 完成两器分离, 之后着陆器、巡视器分别开展科学探测.