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  嫦娥二號由長征三號丙運載火箭執行發射任務。嫦娥二號及發射火箭已經通過發射場區的測試和檢查,於北京時間2010年10月1日18時59分57秒在西昌衛星發射中心發射升空。在飛行了1533秒之後,星箭分離,衛星進入預定軌道。  嫦娥二號衛星整流罩於10月1日19時11分許分別墜落在江西省吉安市遂川縣境內的2個自然村,當地人民武裝部到現場維持秩序,因其落入農田中,故未有人員傷亡。  11月2日,嫦娥二號進入環月長期執行軌道。

  

  嫦娥二號分別在100×100公里的圓軌道和100×15公里的橢圓軌道進行了高解析度成像和環月探測,完整獲取了7米解析度的月球表面三維影像資料,並完成了對嫦娥三號落月任務預選著陸區虹灣區域性區域的達到1.3米的高解析度成像。嫦娥二號CCD立體相機完成了第一個覆蓋週期的拍圖和六個縫區的補拍工作,獲得的影像資料實現了月面99.9%的覆蓋,地面應用系統利用CCD立體相機在100km軌道上獲取的虹灣影像資料,製作完成了7米解析度的“月球虹灣地區影像圖”。

  通過嫦娥二號攜帶的太陽風離子探測器的測量、以及對得到的資料進行分析研究,發現當嫦娥衛星逐步接近月球表面的一個著名的磁異常區“Serenitatis Antipode”的時候,質子的密度和體速度均降低,而質子溫廈顯著 升高,這些趨勢都完美的符合理論上對太陽風和“微磁層”相互作用所期待產生的效應,結果很好的驗證了月球表面磁異常結構附近可能存在“微磁層”,其結果要遠比以往美國LP探測器所獲得的太陽風電子資料和印度Chandrayaan-1探測器所獲得的氫原子資料的結果更明顯,更有說服力。

  2011年4月1日,嫦娥二號到達設計壽命。為了積累深空探測經驗,嫦娥二號於6月9日下午離開月球,前往距地球約150萬公里遠的日-地拉格朗日點,對太陽實施探測,同時進行測控技術等試驗。8月25日嫦娥二號進入日地拉格朗日點的環繞軌道。該軌道為類似橢圓形軌道,衛星環繞軌道1周需6個月時間。成功到達點後,嫦娥二號重新整理了中國航天測控距離的紀錄,也成為了世界首個從月球直接前往日地拉格朗日點的航天器。

  2012年4月15日,嫦娥二號離開地日拉格朗日點前往有撞擊地球危險的小行星4179進行探測。 北京時間2012年12月13日16時30分09秒,嫦娥二號在距地球約700萬公里遠的深空掠過小行星4179,最近距離僅為3.2公里,飛掠時速高達10.73公里/秒。這是中國第一次對小行星進行探測,中國也成為繼美國、歐空局和日本後,第四個對小行星實施探測的國家或組織。

  設計壽命6個月的嫦娥二號在工作26個月後,將繼續飛向更遠的深空,並於2013年1月5日23時46分,在北京航天飛行控制中心精確控制下,嫦娥二號衛星深空探測成功突破1000萬公里,2013年3月已經突破2000萬公里深空,並將繼續往更遠的深空飛行。截至2013年6月初,嫦娥二號衛星距離地球已超過3500萬公里。預計星地距離將於2013年7月14日達到5000萬公里,2014年7月有望達到1億公里。技術人員通過分析認為,嫦娥二號飛行距地最遠可達到約3億公里。嫦娥二號成為目前中國首顆飛入行星際的探測器,在後續的星際飛行中,其飛行目標將主要聚焦在星載裝置長壽命考核、自主飛行能力、行星際遠距離測控驗證等方面。截至2013年11月26日,嫦娥二號已經距離地球超過6000萬公里。截至2014年2月14日,嫦娥二號已距離地球超過7000萬公里,正奔向更遠的深空。

  嫦娥二號任務相比嫦娥一號任務,將實現以下六個方面的技術創新與突破:

  

  《新聞聯播》打破常規,在國慶節當天採用「畫中畫」模式在節目開始直播「嫦娥二號」衞星發射實況。  中央電視臺新聞頻道在直播嫦娥二號發射實況過程中,當指揮員宣佈“點火”並按下點火按鈕兩、三秒後,按原定時間表播放報時訊號及《新聞聯播》,但卻採用「畫中畫」(螢幕右下角)模式在節目開始直播嫦娥二號衞星發射,為開播以來第一次以此方式現場直播,至《新聞聯播》片頭結束後始恢復正常。其後在19時25分05秒至27分11秒,《新聞聯播》再次現場直播了“嫦娥二號”星箭分離的實況。

  在嫦娥二號發射後的晚上七點左右,在臺灣台北縣、宜蘭縣、花蓮縣、臺東縣太麻里有大批民眾目睹一個「紅色的燃燒狀球體,像倒立的香菇」拖著藍色的尾巴由北往南飛越天空,過程約五至十秒;而嫦娥二號發射過程中,軌道也經臺灣海峽往東飛越北臺灣上空,由於不像火流星的跡象,故初步研判為搭載之長征三號丙火箭的推進器掉進大氣層時飛越臺灣上空,但當時臺灣媒體關注於前一天(9月30日)發生的水沙連高速公路北山交流道鷹架崩塌意外,在這之前亦沒有多加報導嫦娥二號發射訊息,導致當時眾人誤以為是飛機爆炸墜機,引發不小的騷動。
嫦娥二號是中國的第二顆繞月人造衛星。它是建基於探月工程一期的嫦娥一號備份星進行技術改進,作為二期工程的先導星,且命名為嫦娥二號。嫦娥二號主要是用作試驗、驗證部分新技術和新裝置,降低往後工程的風險,同時深化月球科學探測。