Когда до лунной поверхности оставалось около 75 километров (за 48 секунд до посадки), по команде автономного радиовысотомера от станции отделились ставшие ненужными два отсека с аппаратурой и включилась тормозная установка. Перед этим включением двигателя амортизационные баллоны мягкой посадки, уложенные вокруг станции, были надуты сжатым газом.
Система управления посадкой и двигательная установка обеспечили гашение скорости от 2600 метров в секунду до нескольких метров в секунду на малой высоте над поверхностью Луны. Перед моментом прилунения станция была отделена от двигательной установки и достигла лунной поверхности, при этом энергия удара была погашена амортизационными баллонами, которые перед посадкой были надуты и после прилунения сброшены.
3 февраля в 21 час 45 минут 30 секунд по московскому времени советская автоматическая станция «Луна-9» совершила мягкую посадку на поверхность Луны на западном краю Океана Бурь в точке с координатами: 7 градусов 8 минут северной широты, 64 градуса 32 минуты западной долготы. Через 4 минуты 10 секунд после посадки раскрылись антенны, и начался первый в истории космонавтики сеанс радиопередачи с поверхности Луны. Однако плохая освещенность местности в момент посадки (высота Солнца над горизонтом ~3 градуса) обусловила получение высококачественных снимков лунного рельефа (три панорамы) лишь 4 и 5 февраля – когда Солнце поднялось над лунным горизонтом выше 7 градусов. Несколько фрагментов лунной поверхности было передано на Землю 6 февраля при высоте Солнца 42 градуса. Передача одной панорамы длилась 100 минут. Всего станцией было проведено семь сеансов радиосвязи общей продолжительностью более 8 часов.
Мягкая посадка на Луну научной станции «Луна-9» и передача ею на Землю уникальных панорамных изображений микрорельефа лунной поверхности открыли пути для нового этапа в изучении космоса. Была доказана возможность непосредственного изучения Луны автоматическими аппаратами.
Запуск станции «Луна-13» был осуществлен для продолжения исследований, начатых АМС «Луна-9».
Автоматическая станция «Луна-13» по конструкции и массе была близка к станции «Луна-9»: она имела такую же телевизионную систему для передачи изображений лунных панорам, но дополнительно на ней были установлены приборы для непосредственного исследования лунного грунта и прочая научная аппаратура (см. рис. 53).
Для исследования механических свойств лунного грунта станция была оснащена:
– механическим грунтомером-пенетрометром, позволяющим определить механические свойства наружного слоя лунного вещества;
– радиационным плотномером для определения плотности наружного слоя лунного грунта;
– динамографом, регистрирующим длительность и величину динамической перегрузки, возникающей при посадке станции на поверхность Луны.
Для проведения других научных исследований использовалась следующая аппаратура:
– приборы для измерения теплового потока от лунной поверхности;
– газоразрядные счетчики для регистрации корпускулярного излучения.
Механический грунтомер и радиационный плотномер были смонтированы на механизмах выноса приборов, закрепленных на наружном корпусе станции. Механизмы выноса позволяли установить эти приборы на поверхности Луны на расстоянии полутора метров от АЛС.
Станция стартовала 21 декабря 1966 года. Путь к Луне проходил по траектории, аналогичной траектории станции «Луна-9».
24 декабря 1966 года в 21 час 01 минуту станция «Луна-13» совершила мягкую посадку на лунную поверхность вблизи западной окраины Океана Бурь в 400 километрах от места прилунения станции «Луна-9». Координаты точки прилунения: 18 градусов 52 минуты северной широты и 62 градуса 04 минуты западной долготы. Место посадки станции «Луна-13» расположено на обширной «морской» равнине, тогда как станция «Луна-9» опустилась в непосредственной близости от окраины материкового щита.
После прилунения и раскрытия лепестков антенн и механизмов выноса научных приборов был начат фототелевизионный сеанс связи. Таких сеансов за время работы станции было проведено пять.
Панорамы лунной поверхности, переданные на Землю, были получены при высоте Солнца 6, 19 и 32 градуса. Панорамы, переданные станцией «Луна-9», отличаются от панорам, полученных «Луной-13», условиями освещенности в связи с прямо противоположным наклоном осей телевизионных камер обеих станций относительно Солнца. Ось камеры «Луна-9» была наклонена в восточном направлении, и поэтому наиболее близкие детали просматривались телеобъективом «против Солнца» в условиях очень контрастной освещенности. Ось же станции «Луна-13» была наклонена на запад («от Солнца»), в результате чего ряд ближайших к объективу камеры деталей был перекрыт тенью самой станции. Отдаленные части западной части панорам, переданных станцией «Луна-13», находились в поле зрения объектива телекамеры при переднем освещении. Благодаря этому на панораме хорошо просматривается большое количество деталей.