После пролета вблизи Луны станция «Зонд-3», постепенно удаляясь от Земли и Солнца, в течение длительного времени вела в межпланетном пространстве наблюдение магнитных полей, космических лучей, солнечного ветра, микрометеоритов и низкочастотного излучения Галактики.
Радиосвязь со станцией поддерживалась в течение восьми месяцев! К этому времени станция удалилась от Земли на расстояние свыше 150 миллионов километров.
Несмотря на чрезвычайно ценные данные, полученные автоматическими станциями, пролетавшими около Луны и достигавшими ее поверхности, дальнейшее развитие науки об естественном спутнике Земли и окружающей его среде требовало более длительного функционирования научных приборов вблизи Луны или на ее поверхности.
Для дальнейшего исследования Луны и решения задачи мягкой посадки контейнера с научной аппаратурой на лунную поверхность и создания искусственных спутников Луны в период с 1963 по 1965 годы с космодромов Советского Союза было запущено пять автоматических станций: «Луна-4», «Луна-5», «Луна-6», «Луна-7» и «Луна-8».
С созданием новых типов многоступенчатых космических ракет большой мощности автоматические межпланетные станции начали стартовать к Луне с промежуточной орбиты искусственного спутника Земли.
Станция «Луна-5» достигла поверхности Луны 12 мая 1965 года. Этот запуск позволил получить первые опытные данные о работе систем, обеспечивающих мягкую посадку.
Полеты автоматических станций «Луна-7», достигшей поверхности Луны 8 октября 1965 года, и «Луна-8», опустившейся на Луну 7 декабря 1965 года, завершили экспериментальную отработку систем астроориентации, управления бортовой радиоаппаратурой, радиоконтроля траектории полета и приборов автоматического управления.
Качественно новый этап в исследовании Луны был открыт запуском автоматической станции «Луна-9», стартовавшей 31 января 1966 года.
Наступило время решения одной из важнейших задач исследования других планет – мягкой посадки станции на поверхность Луны. После посадки «Луна-9» должна была передать на Землю телевизионные изображения лунного ландшафта в целях определения структуры и особенностей поверхности Луны, а также данные о радиационной обстановке на Луне.
Полет станции «Луна-9» завершился 3 февраля в 21 час 45 минут 30 секунд – станция «Луна-9» прилунилась на западном краю Океана Бурь.
После посадки станция начала обзор лунного ландшафта и передачу его изображения на Землю. Телевизионные панорамные изображения Луны передавались в течение четырех сеансов при различных условиях освещенности. Всего со станцией было проведено семь сеансов радиосвязи общей продолжительностью свыше 8 часов. Длительность активного существования станции на поверхности Луны составила 75 часов.
Прежде всего огромное значение имел сам по себе факт посадки – безукоризненное доказательство правильности как инженерных расчетов, так и теоретических предпосылок конструкторов.
Эта выдающаяся победа нашей науки и техники, по своей значимости сравнимая с запуском первого искусственного спутника Земли, полетом Юрия Гагарина и выходом в космос Алексея Леонова, открыла новую страницу в исследовании космического пространства.
Громадное научное значение имело также получение панорамных изображений лунной поверхности с очень близкого расстояния.
Кроме получения первых достоверных сведений о микрорельефе и структуре лунного грунта, станция «Луна-9» открыла возможности для проведения непосредственных экспериментальных исследований на поверхности Луны. Так, на поверхности Луны была измерена интенсивность жесткой радиации, обусловленной космическими и солнечными лучами и радиоактивным излучением лунного грунта. Доза этой радиации оказалась небольшой. В дальнейшем непосредственные исследования на поверхности Луны проводились советскими станциями «Луна-13», «Луна-16», «Луна-17», «Луна-20», американскими аппаратами «Сервейер» и космическими кораблями «Аполлон».
21 декабря 1966 года был дан старт автоматической станции «Луна-13». Эта станция была близка по весу и конструкции к станции «Луна-9», имела такую же телевизионную систему для обзора лунного ландшафта и передачи его изображения на Землю, но дополнительно на ней были установлены приборы для непосредственного исследования лунного грунта и другая научная аппаратура.
Через 3,5 суток полета станция прилунилась примерно в четырехстах километрах от -места посадки станции «Луна-9». На Землю было передано пять панорам лунного ландшафта, снятых при различных высотах Солнца над горизонтом. Изучение панорам подтвердило выводы, полученные по данным станции «Луна-9». Дополнительные сведения о свойствах грунта были получены с помощью динамографа, регистрировавшего перегрузку, которая возникла при контакте станции «Луна-13» с поверхностью Луны.