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嫦娥六号探测器由轨道器、着陆器、上升器和返回器四部分组成，它将开启世界首次月球背面采样返回，这也是继嫦娥四号实现人类首次月背软着陆后，中国再一次踏上“月背征途”，探月工程进入了一个新阶段。嫦娥六号在探测器组成、飞行模式上与嫦娥五号基本相同，但它将在月球逆行轨道设计与控制技术、月背快速采样技术和月背起飞上升技术以及实施月球背面自动采样返回方面取得崭新突破，是一次新的、更大的技术跨越。

从发射到回收，嫦娥六号轨道器面临着飞行阶段多、器间状态多、分离次数多“三重考验”：发射升空后，轨道器将携带着陆上升组合体（着陆器与上升器）和返回器，依次完成地月转移、中途修正和近月制动；在进入环月轨道后，轨道器与着陆上升组合体分离，并携带返回器留轨；在采样任务完成后，轨道器将与从月面起飞、进入环月轨道的上升器主动交会对接，将上升器携带的样品容器转移至返回器后，分离上升器，携带返回器进入月地转移轨道，并在距离地球5000公里处将返回器分离，护送月壤正式踏上“回家”之旅。

值得一提的是，此次嫦娥六号任务将开展务实国际合作，通过对两批次国际载荷搭载项目建议的征集、遴选，最终确定了欧空局月表负离子分析仪、法国月球氡气探测仪、意大利激光角反射器、巴基斯坦立方星等4个国际搭载项目。其中，欧空局月表负离子分析仪将对月球表面负离子进行探测，研究等离子体和月面的相互作用机制；法国月球氡气探测仪旨在对月球表面氡气同位素开展原位探测，研究挥发物在月球环境下传输和扩散机制；意大利激光角反射器计划利用在月球背面的定位，与其他月球探测任务开展联合测距与定位研究；巴基斯坦立方星将开展在轨成像任务，验证纳卫星月球轨道探测技术。