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嫦娥三號探測器共搭載8台尖端科學載荷，用以完成月表形貌與地質構造調查、月表物質成分和可利用資源調查、地月空間和月表環境探測與月基光學天文觀測這三項科學任務。着陸器將搭載地形地貌相機、降落相機、月基光學望遠鏡、極紫外相機，月球車將搭載全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀、粒子激發X射線譜儀。
月基光學望遠鏡，是國際上首次在月面開展天文研究的新領域，有望取得創新性研究結果。月球是科學家們夢寐以求的天文觀測場所，可以完全避開大氣影響，獲得極高精度的觀測數據。同時，月球大約28天（地球日）才自轉一周，可對一個目標開展長達300多小時的持續跟蹤。
極紫外相機，則將首次實現國際上在月面對地球等離子體層進行極紫外成像。在月面可以從整體上探測太陽活動、地磁擾動對地球空間等離子體層的影響，同時具有多天連續觀測的有利條件，能極大提高中國空間環境監測和預報能力。
專家形象的比喻，月基光學望遠鏡是站在月球看太空，極紫外相機則是站在月球看地球。月球車上搭載的測月雷達，則是另外一種科學探測，它集合其他載荷探測成功，可在國際上首次建立月球集形貌、成分、結構於一體的綜合性觀測剖面，建立起月球區域綜合演化動力學模型。
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