2004年，探月工程立項的消息傳來，上海航天技術研究院提出開展探月二期工程論證和研究。
一切都從零開始。張玉花從載人航天領域，勇敢地轉向陌生的探月領域。她不斷學習，同時帶領團隊，逐步確立多個分系統的關鍵技術方向，形成以博士、碩士為主的研發團隊，並建立了月面環境實驗室、視覺環境實驗室
2008年，我國探月工程二期正式立項，上海航天技術研究院在探月工程二期和嫦娥三號任務中，爭取到了五個半分系統的研製任務。張玉花再次被委以重任，挑起大梁，擔任探月工程副總設計師、副總指揮，帶領上海航天技術研究院嫦娥團隊踏上了探月征程。
2013年12月1日，嫦娥三號成功發射，玉兔一號月球車於2013年12月15日成功實現我國首次在月球表面的巡視勘察工作。然而，2014年初，玉兔一號月球車在行進時被石塊磕傷，行程終止在了114.8米。
那是中國航天第一次觸及月面，雖然工程目標圓滿完成，但玉兔一號為什麼走不遠？張玉花和團隊成員，一遍又一遍分析原因、檢查失誤。短短幾天，她就急得滿嘴生泡，嗓子一下子全啞了。
“當召集大家開會的時候，我還能理智地分析問題、檢查原因，但回到宿舍，一個人忍不住大哭了一場：如果能設計更多的冗餘方案，如果能指揮地面操作人員慢一點，如果……但往事已不可追，只能重新出發。”
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