Схема полета от момента старта с Земли и до посадки на Луну полностью повторяла схему полета станций с луноходами за исключением того, что существовали жесткие ограничения по выбору мест посадки. Эти ограничения диктовались условиями прямого старта возвратной ракеты к Земле после забора грунта. При этом время старта возвратной ракеты также имело жесткие временные рамки.
Через 588 секунд после старта отключался двигатель третьей ступени и запускался разгонный блок 11С824 (блок "Д" от ракетного комплекса "Н1-ЛЗ"). На 958-й секунде аппарат "Е-8-5" с блоком "Д" выходил на околоземную орбиту. Через 35 минут после запуска раскрывалось посадочное устройство станции, через 66 минут — проводилась ориентация комплекса, через 70 минут — двигатель блока "Д" запускался повторно и переводил станцию на траекторию полета к Луне. В ходе перелета предусматривались две коррекции. Через 4 суток 7 часов после старта "Е-8-5" выходила на окололунную орбиту с высотой 120 км и периодом обращения 2 часа. Через сутки должна была проводиться первая коррекция для снижения над выбранной точкой посадки до высоты 20 км, а еще сутки спустя — вторая с целью подправить плоскость подхода аппарата к точке посадки. Наконец через 7 суток 16 часов запускалась тормозная двигательная установка, и 6 минут спустя станция совершала посадку на поверхность Луны.
После забора образца лунного грунта и через 8 суток 18 часов после взлета с Земли со станции к Земле стартовала верхняя ступень, а через 11 суток 16 часов ее спасаемый аппарат совершал посадку на территории Советского Союза.
Однако в космонавтике часто происходит все не так, как планируется.
16 июня 1969 года во время первого старта станции "Е-8-5" № 402 не произошел запуск двигательной установки блока "Д". Причиной была ошибка в схеме системы управления — при сбросе среднего переходника блока "Д" произошло размыкание бортовой цепи, из-за чего не прошла команда на запуск двигателя. Станция погибла.
И вот — 13 июля 1969 года. В 2 часа 54 минуты 41 секунду по времени Гринвича стартовала станция "Е-8-5" № 401, получившая в официальных сообщениях наименование "Луна-15". Вслед за ней 16 июля в 13 часов 32 минуты из Космического центра имени Кеннеди был запущен "Apollo 11".
17 июля ровно в 10 часов "Луна-15" вышла на селеноцентрическую орбиту. А дальше в официальных сообщениях ТАСС о полете аппарата начались судорожные метания. Сначала сообщалось о двух коррекциях, проведенных 19 июля. Однако в итоговом сообщении ТАСС о полете станции значились коррекции 18 и 19 июля, как это и должно было быть по плану. Странно выглядела и орбита станции после первой коррекции: вместо круговой высотой 120 км она была эллиптической с апоселением в 221 км и периселением в 95 км, хотя период обращения (2 часа и 3,5 минуты) был близок к расчетному. Вторая орбита практически соответствовала расчетной.
Так или иначе, но 19 июля к Луне прибыл "Apollo" и в 17 часов 22 минуты вышел на селеноцентрическую орбиту.
Если исходить из расчетной программы полета и итогового сообщения ТАСС, то первый возможный момент посадки у советской станции наступил 20 июля около 19 часов. Но "Луна-15" так и осталась на орбите. Существует как минимум три версии этого. Первая — на борту были неполадки, вторая — гравитационное поле Луны не было достаточно изучено, потому станцию решили держать для его изучения еще сутки, последняя — США обратились к СССР с просьбой не проводить активных работ со станцией, чтобы не помешать посадке "Apollo".
Лунный модуль "Apollo 11" сел в 20 часов 17 минут и 42 секунды, то есть всего через час с небольшим после расчетного времени посадки "Луны-15". И уже 21 июля Армстронг ступил на поверхность Луны. А в 17 часов 54 минуты того же дня взлетная ступень "Eagle" покинула Луну, унося с собой первые образцы грунта. Но еще до этого, в 15 часов 47 минут, на "Луне-15" наконец-то включилась тормозная двигательная установка. Сделав по лунной орбите 52 витка, станция пошла на посадку. Но касание Луны произошло не через 6 минут согласно расчетам, а через 4. Станция буквально врезалась в Луну. Дело в том, что советские баллистики тогда еще точно не знали рельеф предполагаемого района посадки (12° с. ш, 60° в. д.). А там оказалась достаточно высокая гора — в нее и угодила станция.
В 1969 году Советский Союз еще дважды пытался с помощью автоматических станций привезти на Землю лунный грунт.
23 сентября была запущена станция "Е-8-5" № 403, но двигатель на блоке "Д" при втором включении не запустился. Просто в блоке на момент запуска не оказалось окислителя (жидкого кислорода), он весь вытек из-за незакрытая разделительного клапана окислителя после первого включения. Станция осталась на низкой околоземной орбите под названием "Космос-300" и через четыре дня сгорела в атмосфере.
Схожая судьба ожидала и станцию "Е-8-5" № 404. Ее запустили 22 октября. Из-за отказа одного из блоков радиокомплекса обратные развороты головного блока были проведены со значительной ошибкой. В результате к моменту второго включения двигателя головной блок оказался неправильно ориентирован в пространстве. После отработки разгонного импульса автоматическая станция и разгонный блок вошли в плотные слои атмосферы над акваторией Тихого океана. В официальном сообщении ТАСС этот аппарат получил наименование "Космос-305".
Следующая станция "Е-8-5" № 405, запущенная 6 февраля 1970 года, потерпела аварию из-за неправильной работы ракеты-носителя: при запуске двигательной установки второй ступени — в результате отказа сигнализатора давления в камере сгорания одного из двигателей прошла команда на их отключение.
Только станции "Е-8-5" № 406 повезло" Она была запущена с космодрома Байконур 12 сентября 1970 года с помощью четырехступенчатой ракеты-носителя "Протон-К" и получила наименование "Луна-16".
17 сентября она вышла на селеноцентрическую орбиту с высотой в апоселении 118,6 км и в периселении 102,6 км. Первая коррекция орбиты, проведенная 18 сентября, обеспечила прохождение аппарата над выбранным районом посадки с одновременным понижением высоты периселения до 20,8 км. С помощью второй коррекции 19 сентября перицентр был понижен до 11,86 км.
20 сентября была вновь включена двигательная установка, которая обеспечила торможение и сход "Луны-16" с орбиты. Высота над поверхностью Луны на начало торможения составила 13,28 км, а на момент выключения двигателя — 2,45 км. После выключения двигателя аппарат в течение 43 секунд совершал свободное падение. На высоте 600 м от поверхности вновь начал работать основной двигатель станции в режиме регулируемой тяги в соответствии с выбранной программой управления и поступающей информацией от доплеровского измерителя скорости "ДА-018" и радиовысотомера "Вега". На высоте 20 м скорость станции была снижена примерно до 2 м/с. Здесь основной двигатель был выключен и дальнейшее торможение происходило с помощью двигателей малой тяги. На высоте около 2 м по команде от гамма-высотомера "Квант" они были выключены, и 20 сентября в 5 часов 18 минут по времени Гринвича автоматическая станция "Луна-16" совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Изобилия, в точке с координатами 0°41′ ю. ш. 56°18′ в. д. Отклонение от расчетной точки посадки составило 1,5 км.
После посадки было определено положение станции на лунной поверхности, а с помощью телефотометров были предприняты попытки получить изображения места бурения. Всего было три включения телефотометров. Из-за недостаточной освещенности изображения места бурения получено не было. На двух изображениях была видна Земля в виде светлого пятна.
Затем по команде с Земли было включено грунтозаборное устройство, и начались операции по забору фунта, включая бурение фунта до глубины 35 см, причем без разворота по азимуту. Взятые образцы фунта были помещены в контейнер возвратной ракеты и загерметизированы.
Старт возвратной ракеты с поверхности Луны с образцами лунного грунта состоялся 21 сентября. Продолжительность обратного перелета составила 84 часа. При снижении вертикальной скорости до 250 м/с на высоте 14,5 км была введена в действие парашютная система, и 24 сентября 1970 года спускаемый аппарат совершил мягкую посадку в 80 км юго-восточнее Джезказгана.
Главным результатом полета "Луны-16" стала первая в мире доставка автоматическим аппаратом на Землю образцов лунного фунта. Общая масса колонки фунта, доставленного "Луной-16", составила 101 г.
После вскрытия капсулы в Институте геохимии и аналитической химии АН СССР имени Вернадского выяснилось, что бур заполнен сыпучим лунным грунтом — реголитом, представляющим собой разнозернистый темно-серый (черноватый) порошок, который легко формуется и слипается в отдельные рыхлые комки. Эта особенность существенно отличает грунт (реголит) от земной бесструктурной пыли; по этому свойству он напоминает влажный песок или комковатую структуру земных почв.
Следовало закрепить успех, однако лунные трассы вновь продемонстрировали, сколь несовершенна создаваемая людьми космическая техника.
