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  嫦娥二号由长征三号丙运载火箭执行发射任务。嫦娥二号及发射火箭已经通过发射场区的测试和检查,于北京时间2010年10月1日18时59分57秒在西昌卫星发射中心发射升空。在飞行了1533秒之后,星箭分离,卫星进入预定轨道。  嫦娥二号卫星整流罩于10月1日19时11分许分别坠落在江西省吉安市遂川县境内的2个自然村,当地人民武装部到现场维持秩序,因其落入农田中,故未有人员伤亡。  11月2日,嫦娥二号进入环月长期运行轨道。

  

  嫦娥二号分别在100×100公里的圆轨道和100×15公里的椭圆轨道进行了高分辨率成像和环月探测,完整获取了7米分辨率的月球表面三维影像数据,并完成了对嫦娥三号落月任务预选着陆区虹湾局部区域的达到1.3米的高分辨率成像。嫦娥二号CCD立体相机完成了第一个覆盖周期的拍图和六个缝区的补拍工作,获得的影像数据实现了月面99.9%的覆盖,地面应用系统利用CCD立体相机在100km轨道上获取的虹湾影像数据,制作完成了7米分辨率的“月球虹湾地区影像图”。

  通过嫦娥二号携带的太阳风离子探测器的测量、以及对得到的数据进行分析研究,发现当嫦娥卫星逐步接近月球表面的一个著名的磁异常区“Serenitatis Antipode”的时候,质子的密度和体速度均降低,而质子温厦显著 升高,这些趋势都完美的符合理论上对太阳风和“微磁层”相互作用所期待产生的效应,结果很好的验证了月球表面磁异常结构附近可能存在“微磁层”,其结果要远比以往美国LP探测器所获得的太阳风电子数据和印度Chandrayaan-1探测器所获得的氢原子数据的结果更明显,更有说服力。

  2011年4月1日,嫦娥二号到达设计寿命。为了积累深空探测经验,嫦娥二号于6月9日下午离开月球,前往距地球约150万公里远的日-地拉格朗日点,对太阳实施探测,同时进行测控技术等试验。8月25日嫦娥二号进入日地拉格朗日点的环绕轨道。该轨道为类似椭圆形轨道,卫星环绕轨道1周需6个月时间。成功到达点后,嫦娥二号刷新了中国航天测控距离的纪录,也成为了世界首个从月球直接前往日地拉格朗日点的航天器。

  2012年4月15日,嫦娥二号离开地日拉格朗日点前往有撞击地球危险的小行星4179进行探测。 北京时间2012年12月13日16时30分09秒,嫦娥二号在距地球约700万公里远的深空掠过小行星4179,最近距离仅为3.2公里,飞掠时速高达10.73公里/秒。这是中国第一次对小行星进行探测,中国也成为继美国、欧空局和日本后,第四个对小行星实施探测的国家或组织。

  设计寿命6个月的嫦娥二号在工作26个月后,将继续飞向更远的深空,并于2013年1月5日23时46分,在北京航天飞行控制中心精确控制下,嫦娥二号卫星深空探测成功突破1000万公里,2013年3月已经突破2000万公里深空,并将继续往更远的深空飞行。截至2013年6月初,嫦娥二号卫星距离地球已超过3500万公里。预计星地距离将于2013年7月14日达到5000万公里,2014年7月有望达到1亿公里。技术人员通过分析认为,嫦娥二号飞行距地最远可达到约3亿公里。嫦娥二号成为目前中国首颗飞入行星际的探测器,在后续的星际飞行中,其飞行目标将主要聚焦在星载设备长寿命考核、自主飞行能力、行星际远距离测控验证等方面。截至2013年11月26日,嫦娥二号已经距离地球超过6000万公里。截至2014年2月14日,嫦娥二号已距离地球超过7000万公里,正奔向更远的深空。

  嫦娥二号任务相比嫦娥一号任务,将实现以下六个方面的技术创新与突破:

  

  《新闻联播》打破常规,在国庆节当天采用「画中画」模式在节目开始直播「嫦娥二号」衞星发射实况。  中央电视台新闻频道在直播嫦娥二号发射实况过程中,当指挥员宣布“点火”并按下点火按钮两、三秒后,按原定时间表播放报时信号及《新闻联播》,但却采用「画中画」(屏幕右下角)模式在节目开始直播嫦娥二号衞星发射,为开播以来第一次以此方式现场直播,至《新闻联播》片头结束后始恢复正常。其后在19时25分05秒至27分11秒,《新闻联播》再次现场直播了“嫦娥二号”星箭分离的实况。

  在嫦娥二号发射后的晚上七点左右,在台湾台北县、宜兰县、花莲县、台东县太麻里有大批民众目睹一个「红色的燃烧状球体,像倒立的香菇」拖着蓝色的尾巴由北往南飞越天空,过程约五至十秒;而嫦娥二号发射过程中,轨道也经台湾海峡往东飞越北台湾上空,由于不像火流星的迹象,故初步研判为搭载之长征三号丙火箭的推进器掉进大气层时飞越台湾上空,但当时台湾媒体关注于前一天(9月30日)发生的水沙连高速公路北山交流道鹰架崩塌意外,在这之前亦没有多加报导嫦娥二号发射讯息,导致当时众人误以为是飞机爆炸坠机,引发不小的骚动。
嫦娥二号是中国的第二颗绕月人造卫星。它是建基于探月工程一期的嫦娥一号备份星进行技术改进,作为二期工程的先导星,且命名为嫦娥二号。嫦娥二号主要是用作试验、验证部分新技术和新设备,降低往后工程的风险,同时深化月球科学探测。