Chang'e 5 (chinois : 嫦娥五号 ; pinyin : cháng'é wǔ hào, de Chang'e, déesse de la Lune dans la mythologie chinoise) est une sonde spatiale de retour d'échantillons lunaires de l'agence spatiale chinoise (CNSA) développée et construite par la CASC, le principal industriel chinois du secteur spatial. La mission s'inscrit dans le cadre de la troisième phase du programme chinois d'exploration lunaire (CLEP), faisant suite aux orbiteurs Chang'e 1 et Chang'e 2 ainsi qu'aux atterrisseurs Chang'e 3 et Chang'e 4. Les études sur la sonde commencent dès le lancement du programme en 2004, puis le projet est finalement approuvé en 2011. La mission Chang'e 5 T1 est lancée en 2014 afin de tester la capsule de rentrée et différentes manœuvres en orbite lunaire.
Contrairement aux sondes soviétiques de retour d'échantillons du programme Luna, la mission Chang'e 5 a recours à la complexe méthode du rendez-vous en orbite lunaire de façon similaire au programme Apollo. L'atterrisseur qui se pose à la surface de la Lune est équipé de trois instruments scientifiques afin de donner le contexte du site de prélèvement : une caméra panoramique (PCAM), un radar à pénétration de sol (LRPR) et un spectromètre visible/infrarouge (LMS). La mission atterrit au nord de l'Océan des Tempêtes sur la face visible de la Lune dans la région du Mons Rümker inexplorée jusqu'ici. Les roches qui s'y trouvent ont un âge estimé à seulement 1,2 milliard d'années et sont bien plus jeunes que les échantillons rapportés par les missions des programmes Apollo et Luna datés de 3,1 à 4,4 milliards d'années. Leur étude doit permettre de mieux comprendre la géologie de la Lune, sa chronologie et les derniers évènements volcaniques de surface.
Chang'e 5, d'une masse totale de 8,2 tonnes, est constitué de quatre modules : l'orbiteur, l'atterrisseur, le module de remontée et la capsule de retour. La mission décolle le 23 novembre 2020 depuis la base de lancement de Wenchang sur l'île d'Hainan à bord du lanceur lourd Longue Marche 5. La sonde est injectée en orbite de transfert vers la Lune, puis l'orbiteur freine pour placer les quatre modules en orbite lunaire le 28. L'atterrisseur se sépare le 29 novembre puis se pose sur la Lune le 1er décembre. Un bras robotique et une foreuse prélèvent jusqu'à un maximum de quatre kilogrammes d'échantillons et jusqu'à deux mètres de profondeur, puis les transfèrent dans le module de remontée. Ce dernier décolle le 3 décembre et s'insère en orbite autour de la Lune. Il effectue un rendez-vous spatial et s'amarre automatiquement avec l'orbiteur le 5 décembre, les échantillons sont ensuite transférés dans la capsule de retour. Le module de remontée est séparé, puis le 13 décembre l'orbiteur manœuvre afin de quitter l'orbite lunaire en direction de la Terre. Après son largage puis sa rentrée atmosphérique, la capsule se pose avec succès en Mongolie-Intérieure sous parachute le 16 décembre, avec 1 731 grammes d'échantillons.
La Chine devient avec Chang'e 5 le troisième pays après les États-Unis et l'Union Soviétique à rapporter des échantillons lunaires sur Terre. La dernière mission ayant réussi à le faire était la sonde soviétique Luna 24 en 1976.
Précurseurs : programmes Apollo et Luna
Les premières missions de retour d'échantillons lunaires de l'histoire eurent lieu durant la course à l'espace à la fin des années 1960 jusqu'au milieu des années 1970. À l'époque, les États-Unis et l'Union soviétique sont lancés dans une compétition idéologique et technologique, et la Lune y occupe vite une place centrale. Les deux superpuissances y envoient tout d'abord des sondes pour effectuer des survols (comme Luna 1 et Pioneer 4), puis s'y placer en orbite (Luna 10 et Lunar Orbiter 1) et enfin s'y poser de façon automatique (Luna 9 et Surveyor 1). Parallèlement à leurs sondes robotiques, ils développent des programmes de vol habité dont l'objectif est de poser des astronautes à la surface de la Lune et de les ramener sur Terre. Une telle architecture de mission implique par conséquent la capacité de rapporter des échantillons lunaires.
Dans ce but, la NASA développe durant les années 1960 le programme Apollo. Celui-ci adopte la méthode du rendez-vous en orbite lunaire afin de limiter la charge à mettre en orbite par le lanceur, bien qu'il en résulte une architecture de mission plus complexe. Ainsi la fusée Saturn V injecte en orbite de transfert vers la Lune le module de commande et de service (CSM) et le module lunaire (LEM) qui se placent ensuite tous deux en orbite basse lunaire. Les deux modules se séparent, puis le LEM se pose à la surface de la Lune à l'aide de son étage de descente. Une fois les opérations au sol terminées, l'étage de remontée du LEM décolle de la surface et effectue un rendez-vous spatial avec le CSM en orbite lunaire. Les deux modules se séparent, puis le CSM effectue le trajet de retour vers la Terre et amerrit dans l'océan. Cette architecture de mission porte ses fruits et à six reprises des astronautes parviennent à se poser à la surface de la Lune et à en rapporter des échantillons, pour une masse totale de 382 kilogrammes.
Le programme lunaire habité soviétique retient également la méthode du rendez-vous en orbite lunaire, ses trois composants étant la fusée super lourde N-1, le vaisseau Soyouz 7K-LOK et le module lunaire LK. Mais, pour diverses raisons, le programme n'aboutit pas, le lanceur N-1 échouant à quatre reprises à atteindre l'orbite. Constatant l'avance prise par les Américains, les Soviétiques décident de développer parallèlement à leur programme lunaire habité des sondes robotiques chargées de rapporter des échantillons lunaires. Dans le but de simplifier l'architecture de leurs missions et d'alléger leurs sondes, ils décident que le module de remontée rentrera directement sur Terre après son décollage depuis la surface, sans passer par un rendez-vous en orbite autour de la Lune. Malgré de nombreux échecs, trois missions parviennent à rapporter des échantillons de la surface lunaire : Luna 16, Luna 20 et Luna 24, pour un total de 326 grammes.
Dès les années 1960, l'exploration lunaire intéresse les scientifiques chinois, mais ce n'est qu'après le succès de la sonde japonaise Hiten au début des années 1990 que l'idée d'un programme d'exploration spatiale est sérieusement envisagée. Toutefois les dirigeants chinois donneront la priorité au plus ambitieux programme habité Shenzhou. La communauté scientifique chinoise, en particulier l'Académie chinoise des sciences, réalise plusieurs études de faisabilité jusqu'à ce que le programme lunaire baptisé Chang'e (du nom de la déesse Chang'e de la mythologie chinoise) soit approuvé en février 2003. L'architecture du programme divisé en trois phases de complexité croissante est approuvée en janvier 2004 par le premier ministre Wen Jiabao. La première phase consiste à placer un orbiteur autour de la Lune, puis s'y poser, et enfin d'en rapporter des échantillons. Afin de pallier d'éventuels échecs, chaque sonde est construite en deux exemplaires.
La première mission du programme, Chang'e 1, décolle le 24 octobre 2007 depuis la base de lancement de Xichang puis se place en orbite autour de la Lune deux semaines plus tard le 5 novembre. La mission est un succès complet et remplit tous ses objectifs en produisant notamment la première carte de la Lune en trois dimensions, puis elle s'écrase volontairement le 1er mars 2009. Sa doublure Chang'e 2 s'envole le 1er octobre 2010, puis se place en orbite autour de la Lune quatre jours plus tard. Dotée d'instruments plus performants, elle remplit ses objectifs et permet de cartographier avec précision le site envisagé pour le premier atterrissage du programme, en plus de tester des manœuvres simulant une descente vers la surface lunaire. Elle quitte ensuite l'orbite de la Lune le 8 juin 2011 pour se rendre au point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil. Elle manœuvre de nouveau pour se placer dans une orbite héliocentrique avant de survoler l'astéroïde (4179) Toutatis le 13 décembre 2012.