探测器从发射到环绕地球运行的轨道，到进入地月转移轨道，再实施着陆、探测，然后从月面起飞，并返回地球，要经历复杂的飞行过程。飞行程序的设计是整个任务实施成功的重要保证。在设计飞行程序时，要考虑运载火箭的发射能力、探测器自身定位要求、科学探测仪器需要、太阳光照的条件、测控通信条件等多种因素，确定最终的方案。
发射轨道
为使探测器奔向月球，一般探测器要具备至少10.9千米/秒的飞行速度。充分发挥运载火箭的能力，使探测器达到较高的速度奔向月球，将有利于节省探测器所需的动力。
一般来讲，运载火箭发射月球探测器可分为两种方式：（1）直接发射到地月转移轨道。这种方式是由运载火箭直接把探测器发射到近地点约200千米，远地点约380000千米的大椭圆轨道，然后探测器只需进行少量的轨道中途修正后就可以飞到月球。这种方式要求运载火箭能提供较大的速度增量和较高的入轨精度，保证在需要的时刻使探测器达到需要的位置和速度。（2）发射到环绕地球的地球转移轨道，其后探测器利用自身的推进系统加速后实现奔月飞行。这样的方式需运载火箭提供的速度小于第一种方式，对入轨精度等要求也低于第一种方式，因为此后探测器还有机会在环绕地球的轨道上进行轨道调整。但这种方式需要探测器自身携带较多的推进剂以实现从环地球轨道到奔月轨道的加速。
这两种发射方式在以往的月球探测中被广泛使用。随着运载火箭技术的发展，第一种方式将更多地被采用。
地月转移轨道
从地球到月球的轨道被称为地月转移轨道。这一段漫长的路程直线距离有约38万千米，而探测器是不可能沿直线飞向月球的，而是沿椭圆轨道飞行，因此飞行的路程更加漫长。以目前人类所能实现方式，取决于进入地月转移轨道的速度和轨道的选择，地月转移的时间最短只需2~3天，最长可达几个月。
地月转移轨道的选择与运载发射轨道、探测器推进系统的能力以及任务的需要等有密切的关系。
直接地月转移轨道目前，绝大部分的月球探测器都是沿直接转移轨道到达月球的，即由运载火箭提供奔月速度后探测器直接奔向月球。事实上，由于受地球和月球引力场的联合作用，探测器由地球飞向月球的轨迹并不是一条平面曲线，而是沿着一条空间曲线逐渐逼近月球的。直接地月转移轨道可在较短的时间内到达月球，但在接近月球后需要较大的制动速度，才能使探测器环绕月球运行，而不至于与月球“擦肩而过”。
小推力缓慢转移轨道2004年，欧洲空间局的“智慧1号”月球探测卫星试验了小推力缓慢转移的轨道到达月球。这颗卫星依靠电推力发动机产生几十毫牛的推力，一圈一圈缓慢爬升，逐渐接近月球后，再缓慢降轨，最终实现环月飞行。图5-2为“智慧1号”复杂的奔月历程。“智慧1号”的这种奔月方式共耗时9个月。这对月球探测来说是效率不高的，它更多的目的是进行技术试验。
经过地月L1点的转移轨道摇从理论上讲，在每个由两大天体构成的系统中，都存在5个引力平衡点，即拉格朗日点。但其中只有两个是稳定平衡点，小物体在该点处即使受外界引力的摄动，仍然有保持在原来位置上的倾向。这两个稳定点各与两大天体所在的点构成一个等边三角形。
图5-2 “智慧1号”奔月的旅程极其复杂，途中花费了9个月的时间
在地球和月球所构成的引力场内，存在着5个平衡点——拉格朗日点（图5-3）。在这5个点上，物体可以相对于地月系统保持静止。人类正在设想利用这样的特殊平衡点来实现更有价值的探测。比如把探测器先发射到拉格朗日点L1，然后探测器只需很小的一点速度就可以到达它想去的地方。这样的轨道方案正在科学家的设计之中。
图5-3 地月系统的5个拉格朗日点
绕月轨道
月球探测器环绕月球运行的轨道主要取决于探测任务的需要。为实现高精度和全月面覆盖的高精度遥感，一般采用轨道倾角为90°左右的低高度轨道（轨道高度100~200千米）。如重点针对某些区域做勘察，则可选择近月点50千米左右，远月点略高的椭圆轨道；如为实现重力场测量、空间环境测量等其他探测，则可选择其他的绕月轨道。如要实现月球软着陆，则需要根据着陆区的选择来选择绕月轨道。
飞行过程示例
“克莱门汀号”月球探测器1994年1月25日，美国发射了“克莱门汀号”月球探测器。经地球转移轨道—地月转移轨道—月球捕获轨道后，于1994年2月19日进入月球工作轨道。“克莱门汀号”采用发射到地球转移轨道，经两次地球轨道加速后进入奔月轨道的方案，其飞行过程示意图如图5-4所示。
“嫦娥一号”中国正在研制的“嫦娥一号”月球探测卫星将于2007年下半年发射。其飞行程序大致分为4个阶段：①超地球转移轨道和中间轨道阶段。从星箭分离起，至第三次近地点变轨结束止。②地月转移阶段。从第三次近地点变轨关机起，到卫星临近近月点。③环月轨道捕获阶段。第一次制动点火至进入环月工作轨道。④环月轨道阶段。进行探测活动并回传数据。
图5-4 “克莱门汀号”飞行过程示意图
图5-5给出“嫦娥一号”月球探测卫星飞行程序简况。可以看出，卫星在和运载火箭分离后，将先在围绕地球的轨道上运行3~4圈，逐步加速，最后达到地月转移轨道的入口速度，卫星沿大椭圆轨道飞向月球。在地月转移轨道，为保证卫星正确进入月球附近预定的位置，需进行2~3次轨道中途修正。在月球附近，为实现卫星环绕月球运动，需对卫星进行减速。通过三次近月点制动，逐步降低轨道的近月点，最终实现距月面200千米的工作轨道，开始进行科学探测活动。从发射到进入最终工作轨道需9~10天的时间。
“月神号”2007年9月14日，日本发射了一个名叫“月神号”的月球探测器。它包括一颗主卫星和两颗微小卫星，相互配合完成探测及技术试验任务。其飞行过程如图5-6所示。“月神号”探测器选择运载火箭直接发射到奔月轨道的方式，经两次中途修正后到达月球附近，在近月点附近经4次制动后进入环月圆轨道，在此之前，在两个椭圆轨道上分别释放两颗小卫星。
图5-5 “嫦娥一号”卫星飞行程序示意图
“月船1号”印度的“月船1号”探测器的飞行过程见图5-7。它的发射轨道选择为地球转移轨道，经两次加速后进入地月转移轨道，在月球附近经几次制动后进入工作轨道。
图5-6 日本“月神号”探测器的飞行过程示意图
图5-7 印度“月船1号”探测器的飞行过程示意图
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