Не позднее чем через сутки после посадки космонавт включает двигатель блока «Е». Лунный взлетный аппарат «ЛК», отделившись от лунного посадочного устройства, выходит на орбиту. При этом для надежности запускаются сразу оба двигателя ракетного блока «Е», а затем, по результатам диагностики, один двигатель отключается, а другой выводит возвращаемый аппарат на орбиту. Система сближения и стыковки «Контакт» устанавливает связь и определяет взаимное положение «ЛК» и «ЛОК», управляя автоматической стыковкой. Во время стыковки пилот «ЛОК» находится в бытовом отсеке в скафандре и в случае необходимости может вмешаться в ход стыковки, осуществив переход на ручное управление. При этом он использует радиосистему поиска, иллюминатор в блистере и бортовую вычислительную машину. Затем пилот «ЛОК» сбрасывает давление в бытовом отсеке и открывает боковой люк. Космонавт «ЛК» выходит из возвращаемого аппарата в открытый космос и осуществлял обратный переход по наружной поверхности через стыковочный узел и блок двигателей ориентации комплекса в бытовой отсек «ЛОК». Пилот «ЛОК» в это время готов прийти к нему на помощь. Затем производилась герметизация бытового отсека, его наддув воздухом.

После того, как давление между спускаемым аппаратом и бытовым отсеком выравнивалось, космонавты снимают скафандры и перебираются в спускаемый аппарат корабля, захватив с собой контейнер с образцами. Люк закрывается, и после проверки его герметичности производится отстрел бытового отсека вместе с «ЛК», которые падают на поверхность Луны. Затем космонавты проводят ориентацию «ЛОК», включают двигательную установку ракетного блока «И», и корабль переходит на траекторию полета к Земле. При необходимости на трассе Луна – Земля космонавты производят коррекцию движения. Время обратного полета – не более 3,5 суток.

При подлете к Земле спасательный аппарат с двумя космонавтами отделяется, совершает управляемый спуск в атмосфере с двойным погружением и, используя парашютную систему и двигатели мягкой посадки, производит приземление на территории Советского Союза. Общее время экспедиции рассчитывалось на 11–12 суток.

Окончательно такая схема полета космонавтов к Луне была утверждена экспертной комиссией под руководством Мстислава Келдыша в декабре 1964 года. С этого момента работа закипела, и появился реальный шанс вновь обогнать американцев.

Смещение Никиты Хрущёва с поста главы государства чуть-чуть скорректировало заявленные планы, дав Сергею Королёву возможность использовать для запусков кораблей носитель «УР-500К», созданный Владимиром Челомеем. Однако самому Сергею Павловичу не суждено было увидеть, чем закончится «лунная гонка».

Одним из важнейших этапов на пути к Луне должен был стать аппарат, который в автоматическом режиме сядет на поверхность естественного спутника Земли, доказав, что подобное принципиально возможно. Дело в том, что в те времена была очень популярна гипотеза австрийского астрофизика Томаса Голда о том, что всю Луну покрывает многометровый слой мелкодисперсной пыли, в котором легко утонет любой искусственный объект. Несколько позже эту гипотезу обыграл Артур Кларк в научно-фантастической повести «Лунная пыль» (1961).

Проект нового лунного аппарата, проходившего в конструкторской документации под обозначением «Е-6», был введен в советские космические планы академиком Мстиславом Келдышем. Идею, разумеется, поддержал и Сергей Королёв. По инициативе последнего 10 декабря 1959 года глава государства Никита Хрущёв подписал постановление об осуществлении мягкой посадки на Луну автоматической станции, снабженной специальной телевизионной аппаратурой и научными приборами.

Разумеется, специалисты сразу вспомнили о гипотезе Голда, и закипели споры, какой должна быть станция, чтобы она не провалилась в лунную пыль. Рассказывают, будто бы Сергей Королёв на одном из совещаний, когда снова всплыл этот вопрос, оторвал от газеты полоску и написал на ней: «Луна твердая!» Действительно, сохранилась собственноручная записка Королёва, в которой он высказывает свои соображения относительно несущих способностей лунной поверхности: «…достаточно твердый грунт типа пемзы». Однако на листке с запиской стоит и ее дата – 28 октября 1964 года, и относится она к выбору посадочного устройства для… лунного корабля пилотируемого комплекса «Л3».

Так или иначе, но первые беспилотные аппараты в «фирме» Сергея Королёва решили сажать не на опоры, а с помощью надувных амортизаторов. Идея состояла в том, что надувался большой мяч, а внутри него находилась «Е-6» с лепестками. По расчетам, при такой системе можно было производить прилунение со скоростью до 15 м/с, что довольно жестковато.

Непосредственно разработкой станции занимались в секторе Глеба Юрьевича Максимова, а контроль за работами осуществлял заместитель Королёва – Константин Давыдович Бушуев.

Объявление о намерении США победить в «лунной гонке» стимулировало продвижение проекта, и 23 марта 1962 года вышло новое постановление, в котором жестко определило начало пусков по теме «Е-6»: начало 1963 года.

Носителем нового космического аппарата должна была стать ракета «Молния». К началу ее летно-конструкторских испытаний определился и облик «Е-6». Станция, называемая «лунной ракетой», включала в себя собственно аппарат для изучения Луны, двигательную установку, отсек системы управления и различного оборудования, устанавливаемого на корпусе ракеты. В целях уменьшения затрат топлива на торможение у Луны, а следовательно, получения наибольшего веса исследовательского аппарата всё оборудование и агрегаты, необходимые только при полете к Луне, размещались в отделяемых перед торможением отсеках. Для мягкой посадки предписывалось осуществление двух операций: коррекции траектории и торможения у поверхности с помощью ракетного двигателя. Двигатель и система подачи топлива были спроектированы таким образом, что обеспечивали двухразовое включение в невесомости и работу на двух режимах: при коррекции с постоянной тягой и при торможении с широким диапазоном регулирования тяги.

Основные системы лунного аппарата находились внутри герметичного контейнера, по форме близкого к сфере. Корпус «лунника» состоял из двух полуоболочек: внутри была установлена рама с приемно-передающей аппаратурой, приборами командной радиолинии, электронными программно-временными устройствами, химическими батареями, приборами автоматики, научной и телеметрической аппаратурой. В нижней полуоболочке были закреплены вентилятор, электроклапан и радиатор системы терморегулирования, а в верхней – телевизионная система и счетчики космической радиации. Снаружи на корпусе были установлены четыре лепестковые антенны, четыре штыревые антенны с подвешенными на них эталонами яркости и три двугранных зеркала. Лепестковые и штыревые антенны и зеркала при посадке находились в сложенном положении. Двугранные зеркала позволяли передавать стереоскопическое изображение шести узких участков лунной поверхности на простую телекамеру «Волга».

Лунный аппарат вместе с посадочными устройствами закреплялся на отсеке системы управления лунной ракеты. Сложенные лепестки-антенны придавали ему вид яйца. Благодаря тому, что центр тяжести располагался довольно низко, лунный аппарат после отделения посадочных устройств принимал заданное положение на лунной поверхности (лепестками вверх). Одновременно лепестки защищали телевизионную камеру, штыревые антенны, механизмы и зеркала от случайного повреждения или запыления.