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首次地外天体的采样与封装
作为此次任务的核心关键之一，月球表面自动采样封装是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。在这个阶段，嫦娥“五姑娘”将在月面选定区域着陆，并使出浑身解数采集月壤，实现我国首次月面自动采样。
为此，来自中国航天科技集团五院的设计师们采用表钻结合，多点采样的方式，精心设计了两种“挖土”模式：钻取和表取。当着陆器、上升器组合体顺利软着陆在月球表面后，“嫦娥”为期2天的月面工作就开始了，她随身携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”将精密配合，采取深钻、浅钻、“铲土”、“挖土”、“夹土”等各种方式，采集约2千克月壤并进行密封封装。然后通过月面起飞、在月球轨道完成交会对接、月地转移和再入回收等过程，最终将月球样品安全送至地球家园。
首次地外天体的起飞
当嫦娥“五姑娘”完成月面工作后，她就要踏上“回娘家”的旅程。俗话说万事开头难，想回娘家可不容易，第一步能否“迈好”至关重要，这就是涉及到突破我国航天史上另一个首次——
月面起飞上升。
顺利完成月壤采样封装后，上升器就要准备月面点火起飞了，这是一个高难度科目。众所周知，运载火箭在地球起飞是有一套完备的发射塔架系统的，点火起飞位置也经过了精确测算，飞行轨道也是一遍遍计算好的。而月面起飞就不一样了，它没有一马平川的起飞地，更没有成熟完备的发射塔架，着陆器就相当于上升器的发射塔架，托举着“五姑娘”回家。而月球表面环境复杂，着陆器不一定是四平八稳的状态，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上。这就给起飞带来了很大的难度。此外，还要克服地月环境差异、发动机羽流导流空间受限等难题。
月面起飞的时候，还无法像运载火箭一样在地面发射前由地面人员完成测调和确认，必须依靠航天器“自力更生”，实现起飞时自主定位、定姿。为了确保上升器能够顺利起飞上升，航天科技集团五院嫦娥研制团队进行了大量的试验验证，并建立了一整套环环相扣的系统保证任务，为嫦娥五号胜利迈出回家一步保驾护航。
首次月球轨道交会对接
当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后，嫦娥“五姑娘”一路飞奔而去。但是仅仅依靠上升器是不可能实现返回地球的，它需要飞到月球轨道上，在这里与轨道器、返回器组合体交会对接，把采集到的月壤转移到返回器。
经过几十年的实践探索，我国在载人航天领域已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术，但是在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接不仅在我国尚属首次，而且也是人类航天史上的第一次。
人类此前三次无人月球采样任务，采用的都是月面起飞直接返回地球的方案；而嫦娥五号将实现突破。为此，从上升器进入环月飞行轨道开始，一直到轨返组合体与上升器完成对接与样品转移为止，设计师们为嫦娥五姑娘精心设计了交会、对接、组合体运行、轨返组合体与对接舱分离等一系列关键动作，助推嫦娥五号实现完美工作。
首次携带样品高速再入地球
当返回器带着月壤，从38万公里远的月球风驰电掣般向地球飞来，这时它的飞行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度，而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒8公里的第一宇宙速度。可别小看了这每秒3公里的差距，因为，就好像扔石头，同样一块石头，从一层楼扔下来的速度和从十几层楼仍下来速度肯定不一样。
同理，航天器从数百公里高的近地轨道返回和从38万公里远的月球返回必然不同，且差距巨大。一旦速度过猛，返回器一头撞向地球，后果不堪设想，必须让返回器减速飞行。为此，科研人员创新提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案，就像在太空打水漂一样，整个再入返回过程就是让返回器先是高速进入大气层，再借助大气层提供的升力跃出大气层，然后以第一宇宙速度扎入大气层，返回地面。整个过程环环相扣，确保嫦娥五号能安全顺利地降落在四子王旗着陆场。
首次样品的存储、分析和研究
此次嫦娥五号任务计划开展月球样品的分析与研究，对月球样品进行系统长期的实验室研究，分析月壤的结构、物理特性、物质组成，深化月球成因和演化历史的研究，极具科学意义。