Programme Luna

Le lancement du premier satellite artificiel, Spoutnik 1, a lieu en octobre 1957. Mais dès 1955, alors que le missile balistique intercontinental R-7 Semiorka, qui sera le premier lanceur de satellite, est encore en cours de mise au point, le futur responsable du programme spatial soviétique Sergueï Korolev envisage de lancer une sonde spatiale vers la Lune avec cette fusée. Il suffit selon ses calculs d'ajouter un étage supplémentaire au missile pour pouvoir lancer un engin spatial de quelques centaines de kilogrammes vers notre satellite naturel. Korolev rédige pour l'Académie des sciences d'URSS une proposition de plan d'exploration de la Lune en avril 1957. Cette institution y répond favorablement [1]. Après le succès retentissant de Spoutnik 1, Korolev crée au sein de l'OKB-1 trois nouveaux bureaux d'études consacrés respectivement aux satellites de télécommunications, aux missions habitées et au développement de sondes spatiales à destination de la Lune. Cette dernière structure est placée sous la responsabilité de Mikhail Tikhonravov et de Gleb Maximov[2]. Par ailleurs, un programme comportant une série de missions lunaires de complexité croissante est élaboré par l'académicien Mstislav Keldych. Ce plan prévoit :

• un premier vol (Ye-1) qui doit s'écraser sur la Lune et doit ainsi contribuer à mettre au point les techniques spatiales (propulsion, pilotage) permettant d'atteindre notre satellite naturel;
• une mission qui doit photographier la face cachée de la Lune (Ye-3) ;
• une troisième mission (Ye-4) proposée par l'académicien Zeldovich qui consiste à faire exploser une bombe atomique à la surface de la Lune. Cette proposition est abandonnée après évaluation des risques en cas d'échec et des répercussions négatives au sein de la communauté scientifique ;
• Ye-5 qui doit effectuer un relevé photographique détaillé de la surface de la Lune ;
• Ye-6 qui doit couronner le programme avec un atterrissage en douceur et la transmission d'un panorama lunaire.

Cette liste est soumise à l'Académie des sciences et au dirigeant soviétique Khrouchtchev. Un décret formalise l'accord des autorités le 20 mars 1958. Pour remplir ce programme, Korolev doit ajouter un troisième étage à son lanceur R-7 Semiorka. Le fournisseur de moteurs-fusées attitré de Korolev, Valentin Glouchko, ne pouvant fournir dans les délais l'étage souhaité, il confie son développement à Sémion Kosberg, un nouvel arrivant dans le domaine des fusées, transfuge de l'aviation. L'ensemble formé par la Semiorka et le troisième étage «Bloc Ye»[N 1] reçoit le nom de code 8k72 mais est baptisée Luna dans les communiqués officiels[3].

Six missions destinées à s'écraser sur la Lune, dont deux réussies, sont lancées en 1958 et 1959 en utilisant le modèle de sonde Ye-1. Au printemps 1958, Korolev sait que les États-Unis, avec lesquels l'Union Soviétique a entamé une course de prestige, préparent l'envoi d'une sonde vers la Lune au cours de l'été dans le cadre du programme Pioneer. Bien que le troisième étage, qui n'a jamais encore volé, ne soit pas parfaitement au point, Korolev fait préparer un lancement d'une sonde lunaire Ye-1 à la date prévue pour le lancement de la sonde américaine ; la trajectoire calculée par l'équipe soviétique est plus courte et la sonde de Korolev est assurée d'arriver avant la sonde américaine. Pour ce lancement comme pour tous les suivants, les Américains annoncent à l'avance la date tandis que les Soviétiques n'officialisent leurs lancements qu'après coup et seulement s'ils sont réussis. Les échecs soviétiques sont ainsi dissimulés accentuant l'impression de domination de l'astronautique soviétique durant les premières années de l'ère spatiale. Le 17 aout, jour du lancement, le lanceur américain explose en vol. Korolev décide de reporter son propre lancement pour améliorer la fiabilité de son lanceur. Le premier lancement de la sonde lunaire soviétique a lieu le 23 septembre mais il échoue. Un problème de résonance entraine la désintégration du lanceur en cours de vol. Le jour de la deuxième tentative américaine, le 11 octobre, Korolev dispose d'un lanceur également prêt. Le troisième étage du lanceur de la sonde américaine Pioneer 1 est à nouveau victime d'une défaillance mais la fusée soviétique qui est lancée dans la foulée est de nouveau victime du phénomène de résonance. Le problème est corrigé et une troisième tentative est effectuée le 4 décembre. Le lancement échoue à nouveau à la suite d'une défaillance de la turbopompe injectant l'oxygène dans la chambre de combustion du troisième étage. Les Américains sont aussi peu chanceux avec leur lanceur puisque leurs deux tentatives des 8 novembre et 6 décembre échouent également[5].

Lors de la quatrième tentative, le 2 janvier 1959, le lanceur fonctionne jusqu'au bout et la sonde parvient enfin à s'arracher à l'orbite terrestre. Mais la trajectoire suivie n'est pas parfaite car l'arrêt du second étage, qui est radio-commandé, est déclenché trop tard. La sonde qui devait s'écraser sur la Lune passe à 5 965 km de distance et se trouve placée sur une orbite héliocentrique. C'est donc un demi-succès pour l'équipe de Korolev mais les autorités soviétiques s'empressent néanmoins d'annoncer que la sonde a parfaitement rempli ses objectifs en réalisant trois premières : s'arracher à l'orbite terrestre, survoler à faible distance la Lune, et se placer sur une orbite héliocentrique. La sonde est sur le moment baptisée Mechta (rêve en russe) mais sera renommée un an plus tard Luna 1. Ses instruments permettent de découvrir le vent solaire. Aucun champ magnétique significatif d'origine lunaire n'est découvert et le flux de micrométéorites s'avère beaucoup plus faible que prévu. Deux mois plus tard, les Américains réussissent à leur tour à survoler la Lune (mission Pioneer 4). La sonde lunaire soviétique est légèrement modifiée (version Ye-1A) et est lancée le 18 juin 1959 mais le lanceur est victime d'une défaillance d'un de ses gyroscopes. Le 12 septembre 1959, le sixième tir qui emporte Luna 2 est un succès total. Pour la première fois, un engin construit par l'homme atteint la surface d'un autre corps céleste. La sonde s'écrase à l'est de la Mare Imbrium. Tous les instruments scientifiques ont parfaitement fonctionné et l'absence de champ magnétique lunaire significatif est confirmé. Krouchtchev utilise cette nouvelle preuve de la supériorité de la technique soviétique en offrant au président Eisenhower le 15 septembre, lors d'un séjour effectué aux États-Unis, une réplique de sphères ornées des symboles soviétiques qui se sont écrasées sur la Lune avec la sonde[6].

Les sondes de la série Ye-1 reprennent la forme sphérique des premiers satellites Spoutnik avec un diamètre plus important (80 cm au lieu de 56 cm) et une masse quatre fois plus élevée (361,3 kg pour Luna 1). La coque extérieure est réalisée dans un alliage d'aluminium et de magnésium. Plusieurs antennes et capteurs d'instruments scientifiques sont fixés sur la surface de la sphère parfaitement polie. La sonde ne dispose d'aucun moyen de propulsion et est stabilisée par rotation avec une vitesse de 1 tour toutes les 14 minutes. L'intérieur de la sphère est rempli d'azote pressurisé à 1,3 bar ; un ventilateur brasse le gaz pour le maintenir à une température comprise entre 20 et 25 °C en exploitant la présence de sources de chaleur (l'électronique embarquée) et de froid (la face de la sonde située à l'ombre). L'énergie est fournie par des batteries zinc-argent. Un émetteur/récepteur radio transmet les télémesures et scientifiques en bande métrique avec un débit de 1 kilobit par seconde. La sonde dispose d'un émetteur de secours fonctionnant en ondes courtes. La charge utile comprend :

• un magnétomètre tri axial ;
• un détecteur de rayons cosmiques par effet Tcherenkov ;
• un détecteur de micrométéorites utilisant l'effet piezoélectrique ;
• des détecteurs d'ions du vent solaire ;
• des compteurs Geiger (sous-série Ye-1A uniquement).

Par ailleurs, le troisième étage du lanceur embarque une charge de sodium qui est libérée dans la magnétosphère à très haute altitude[7].

La sonde Ye-2 est beaucoup plus sophistiquée que le modèle Ye-1. Elle comporte un système de contrôle d'attitude qui lui permet de conserver son orientation dans un référentiel céleste dans une direction donnée : ce dispositif est nécessaire pour pouvoir maintenir l'objectif de la caméra tourné vers la Lune durant les prises de vues. Le système comprend des cellules photoélectriques détectant la présence de la Lune et du Soleil, des gyroscopes pour mesurer les mouvements et des propulseurs à gaz froid pour effectuer les corrections d'orientation. La sonde est stabilisée par rotation durant la majorité de son trajet mais stabilisée sur ses 3 axes durant les prises de photo. La sonde Ye-2 a la forme d'un cylindre de 95 cm de diamètre et de 120 cm de long avec deux extrémités en forme d'hémisphère et un renflement de 120 cm de diamètre près de l'une de ses extrémités. La partie cylindrique de la sonde est tapissée de cellules solaires. La sonde comporte 6 antennes omnidirectionnelles dont quatre sont fixées au sommet et deux à la base. L'intérieur de la sonde, rempli d'azote pressurisé à 0,23 bar et maintenu à une température inférieure à 25 °C grâce à un ventilateur et des radiateurs passifs, contient l'équipement électronique et en particulier la caméra et le système de développement des photos. La sonde ne dispose d'aucun système de propulsion lui permettant de corriger sa trajectoire. La charge utile comprend :

• un spectromètre de masse (il ne sera pas incorporé dans les sondes lancées) ;
• un détecteur de rayons cosmiques par effet Tcherenkov ;
• un détecteur de micrométéorites utilisant l'effet piezoélectrique ;
• des détecteurs d'ions du vent solaire ;
• des compteurs Geiger ;
• une caméra associée à un télécopieur.

Le modèle Ye-3, initialement Ye-2F, est une version du Ye-2 avec des performances améliorées au niveau du débit radio et de la qualité des images[8].

Ayant rempli les premiers objectifs fixés par la feuille de route définie initialement, Korolev a besoin d'un lanceur plus puissant pour les missions plus ambitieuses prévues vers la Lune mais également vers Mars et Vénus. Après consultation de l'Institut de mathématiques appliquées pour déterminer la meilleure configuration, le lanceur existant Luna est modifié : un troisième étage plus puissant est sélectionné (Bloc I) et un quatrième étage (Bloc L) est ajouté. Le nouveau lanceur, baptisé Molniya peut placer 1,5 tonne sur une orbite de transit vers la Lune et une tonne vers Mars. Le dernier étage peut être rallumé dans le vide mais cette innovation sera à l'origine d'un grand nombre de défaillances du lanceur. L'utilisation du nouveau lanceur est d'abord réservée à des missions vers Mars et Vénus dans le cadre des programmes Mars et Venera tandis que l'exploration de la Lune est mise en sommeil pendant près de 3 ans entre avril 1960 et février 1963[9].

Le programme d'exploration de la Lune redevient une priorité avec les avancées du projet de mission habitée à destination de la Lune. Les soviétiques envisagent d'abord de lancer une sonde orbitale, baptisée Ye-5, pour répondre aux tentatives américaines dans le domaine avant de se tourner vers le développement d'une sonde capable d'alunir en douceur sur la surface lunaire (Ye-6) et un orbiteur lourd (Ye-7) utilisant les capacités de la fusée Molniya. La sonde Ye-6 exploite les avancées techniques de la dernière génération des sondes martiennes 2MV en matière d'architecture : séparation entre la plateforme et de la charge utile et le système de navigation. La nouvelle sonde n'est pas lancée vers son objectif mais est d'abord placée sur une orbite terrestre d'attente avant d'être propulsée vers la Lune par le quatrième étage du lanceur qui est rallumé. Pour que la sonde puisse faire un atterrissage en douceur sur la Lune, elle dispose d'un moteur capable d'annuler avec une grande précision sa vitesse juste avant d'arriver au niveau de la surface du sol lunaire. La partie de la sonde qui se pose sur le sol est conçue pour amortir le choc d'atterrissage puis fournir toutes les fonctions de support (énergie, protection thermique, transmission radio) permettant à l'instrumentation scientifique de fonctionner[10].

Le premier lancement de la nouvelle sonde est effectué le 4 janvier 1963 mais échoue lorsque le quatrième étage de son lanceur ne parvient pas à se rallumer en orbite terrestre. Onze sondes de la série Ye-6, dont quatre portées à la connaissance du public, Luna 4 à Luna 8, sont lancées entre janvier 1963 et décembre 1965 mais aucune ne parvient à mener à bien la mission projetée : quatre sondes sont victimes de défaillance au lancement, deux d'une défaillance du quatrième étage du lanceur en orbite terrestre, la sonde est perdue dans deux cas durant le transit Terre-Lune tandis que trois s'écrasent à la surface de la Lune. C'est une période noire pour l'astronautique soviétique qui perd entre 1962 et 1965 26 sondes spatiales (en comptant les sondes martiennes et vénusiennes) sans enregistrer un seul succès. Fin 1965, Korolev transfère au bureau d'études Lavotchkine la responsabilité du programme des sondes spatiales. L'ingénieur Gueorgui Babakine, qui dirige le bureau, apporte deux modifications à la sonde rebaptisée à cette occasion Ye-6m : les airbags qui amortissent le choc à l'atterrissage sont désormais gonflés après la séquence de freinage et une nouvelle version du système de guidage est mise au point. La première tentative de lancement est un succès. La sonde Luna 9 lancée le 31 janvier 1966 se pose en douceur le 3 février 1966 à 18 h 44 min 52 s UTC et envoie les premières images panoramiques du sol lunaire. Les Soviétiques battent ainsi une fois de plus les Américains qui parviennent à poser Surveyor 1 le 2 juin 1966 à la première tentative après avoir été longtemps retardés par les déboires de l'étage Centaur. La sonde soviétique parvient à réaliser et transmettre quatre panoramas avant que sa batterie, source unique d'énergie, ne s'épuise. Un deuxième atterrisseur du même modèle, Luna 10, est lancé le 21 décembre 1966 et parvient également à se poser en douceur[11].

Les sondes Ye-6 et Ye-6m sont pratiquement identiques. Chaque sonde a une hauteur de 2,7 mètres et comprend trois sous-ensembles dans le prolongement l'un de l'autre[12] :

• le système de propulsion principal repose sur un moteur-fusée Isaïev, de 4,64 tonnes de poussée et consommant des ergols hypergoliques, qui est chargé d'annuler la vitesse de la sonde avant l'atterrissage. Quatre petits moteurs de 245 newtons de poussée situés sur ses flancs sont utilisés pour le contrôle d'attitude durant la phase de descente ;
• le compartiment moteur est surmonté par un compartiment pressurisé contenant l'avionique et le système de télécommunications. Sur les flancs de ce module se trouvent deux sous-modules. L'un contient un radar-altimètre utilisé pour déclencher la mise à feu du moteur-fusée durant la descente ainsi que les moteurs chargés du contrôle d'attitude durant le transit Terre-Lune. Le second contient les capteurs chargés de déterminer l'orientation durant le vol ;
• au sommet se trouve l'atterrisseur proprement dit qui est une sphère de 58 cm de diamètre hermétiquement scellée et pesant 105 kg. Elle contient un système de télécommunications, un programmateur, un système de contrôle thermique, des batteries et des instruments scientifiques. La sphère est entourée de deux air bags gonflés durant la phase de descente qui la protègent du choc à l'atterrissage. Une fois sur le sol lunaire, la sphère s'ouvre en déployant 4 pétales et quatre antennes de 75 cm de long. Les batteries fournissent assez d'énergie pour 5 heures d'activité de la sonde sur une période de 4 jours. Les pétales déployables et un centre de masse décentré permettent de garantir que la sonde se pose avec la face supérieure dirigée vers le haut.

Les trois types de sondes utilisés, Ye-6S, Ye-6LF et Ye-6LS, utilisaient le module de croisière des Ye-6 mais, alors que ce module était largué après la mise en orbite lunaire pour le type Ye-6S, les sondes de type Ye-6LF et Ye-6LS conservaient le leur ce qui leur permettait d'effectuer des ajustements de leur orientation pour les prises de photos. Les trois types de sonde présentaient la particularité de ne pas disposer de panneaux solaires : leur durée de vie opérationnelle reposait sur la quantité d'énergie disponible dans les batteries non rechargeables. La partie placée en orbite du Ye-6S avait une masse de 248,5 kg (1 584 kg en tout) pour une longueur de 1,5 mètre et un diamètre de 0,75 mètre. La sonde emportait 9 instruments dont 7 avaient été développés pour le projet Ye-7 abandonné par la suite mais était dépourvue de caméra : un magnétomètre fluxgate tri-axial placé au bout d'une perche de 1,5 mètre, un spectromètre à rayons X basses énergies, un spectromètre à rayons gamma, un compteur de décharges à gaz, des détecteurs d'ions du vent solaire, un radiomètre SL-1, un détecteur de micrométéorites, un radiomètre infrarouge et une expérience de cartographie du champ magnétique reposant sur le suivi de la trajectoire de la sonde[15].

Les sondes Ye-6LF et Ye-6LS pesaient avec leur module de croisière entre 1 620 et 1 700 kg pour une longueur totale de 2,7 mètres et un diamètre de 1,5 mètre. Le type Ye-6 LF emportait une série d'instruments scientifiques différents dont une caméra de type facsimilé en deux exemplaires qui avait été expérimentée dans le cadre de la mission Zond 3 l'année précédente. À l'altitude de la sonde, la caméra photographiait une surface de 25 km² avec une résolution maximale de 15 à 20 mètres. Les autres instruments étaient un spectromètre à rayons X basses énergies, un spectromètre à rayons gamma, un radiomètre SL-1, des détecteurs de micrométéorites, un radiomètre ultraviolet destiné à mesurer les caractéristiques de la surface, une expérience de radio-astronomie en ondes longues, une expérience de cartographie du champ gravitationnel reposant sur le suivi de la trajectoire de la sonde et une expérience destinée à tester la lubrification des roues du futur rover lunaire Lunokhod. Le type Ye-6 LS était identique au Ye-6 LF mais il comportait un système de navigation plus précis permettant de mieux mesurer l'incidence des variations du champ de gravité lunaire ainsi qu'un système de communications radio expérimental destiné au programme spatial habité lunaire[16].

Fin 1968, les responsables de l'Union Soviétique constatent que le programme Apollo avance rapidement et que les américains pourraient réussir prochainement à déposer des hommes sur la Lune. Le programme concurrent développé par l'Union soviétique a par contre pris beaucoup de retard. Pour ne pas perdre tout le prestige acquis par l'astronautique soviétique grâce aux réussites des années 1960, en cas de réussite américaine, les soviétiques décident de développer en parallèle du programme spatial habité lunaire, une mission mettant en œuvre une sonde automatique qui a pour objectif de ramener un échantillon du sol de la Lune avant les astronautes de la NASA. La sonde comporte un étage de descente chargé d'atterrir sur la Lune et un véhicule de retour chargé de ramener l'échantillon. L'étage de descente est celui du rover Lunokhod en cours de mise au point (modèle Ye-8). L'objectif est difficile à atteindre car la masse totale de la sonde ne doit pas dépasser la capacité du lanceur lourd Proton 8K82K. Par ailleurs, il s'agit d'une mission qui nécessite de réussir à enchainer beaucoup de taches complexes et les ingénieurs soviétiques ne disposent que de quelques mois pour développer l'étage de retour, le système de prélèvement d'échantillon et la capsule qui doit revenir sur Terre. Pourtant, dès juin 1969, un premier exemplaire est disponible pour l'envol. Le lanceur Proton a été optimisé pour porter sa capacité de lancement vers l'orbite lunaire de 5500 à 5 880 kg, poids final de la nouvelle sonde[17].

La première tentative a lieu le 14 juin 1969 mais le dernier étage du lanceur Proton ne parvient pas à s'allumer et la sonde retombe dans l'Océan Pacifique. Le deuxième essai, Luna 15, est lancé le 13 juillet 1969 trois jours avant le lancement d'Apollo 11. La sonde se met en orbite autour de la Lune et entame sa descente vers le sol lunaire peu après que le module lunaire d'Apollo 11 en ait fait autant. Mais l'atterrissage se passe mal et la sonde s'écrase dans Mare Crisium (la mer des Crises). L'objectif principal de la mission ne pourra plus être rempli car Apollo 11 ramène quelques jours plus tard les premières roches lunaires sur Terre. Les trois tentatives suivantes qui ont lieu le 23 septembre 1969, le 22 octobre 1969 et le 6 février 1970 sont toutes des échecs imputables au lanceur Proton[18].

Luna 16 est la première sonde soviétique à se poser sur la Lune et à retourner des échantillons de sol lunaire vers la Terre (101 g).

Cinq autres missions du même type sont lancés entre 1971 et 1976 dont deux, Luna 20 et Luna 24 parviendront à ramener un échantillon du sol lunaire. Luna 24 est la dernière mission envoyée par l'Union Soviétique vers la Lune.

Les sondes de type Ye-8-5 comprennent un étage de descente surmonté d'un étage chargé de ramener la capsule contenant l'échantillon sur Terre. La masse totale de la sonde au départ de la Terre est de 5 880 kg.

L'étage de descente est pratiquement identique à celui qui avait été développé auparavant pour poser le rover Lunokhod sur le sol lunaire. Les différences portaient sur la suppression des rampes permettant au rover de descendre sur le sol lunaire et l'ajout du système de prélèvement d'échantillon de sol, pour les 8 premières missions d'une paire de caméras de télévision stéréo pour filmer le site d'atterrissage et un éclairage pour les atterrissages de nuit. Un compartiment toroïdal contenant l'instrumentation et l'avionique pour les opérations au sol remplaçaient les rampes d'origine et servait de support pour le lancement du véhicule de retour[19].

Le véhicule de retour est situé au-dessus de l'étage de descente. Cet engin de 520 kg (245 kg sans le carburant) est composé d'un compartiment d'équipement abritant l'avionique de forme cylindrique en position verticale perché sur les trois sphères contenant le carburant et le moteur-fusée principal. Celui-ci (KRD-61 Isayev) est du même type que le moteur de l'étage de descente mais sa poussée n'est pas modulable. Il brule un mélange d'acide nitrique et de UDMH et fournit une poussée de 18,8 kilonewtons durant 53 secondes qui génère un delta-V de 2,6 à 2,7 km/s suffisant pour échapper à l'attraction de la Lune[19].

La capsule contenant l'échantillon est la seule partie de la sonde qui revient sur Terre. C'est une sphère de 50 cm de diamètre pesant 34 kg recouverte d'un matériau ablatif qui protège son contenu de la chaleur au moment de la rentrée atmosphérique qui s'effectue à une vitesse de 11 km/s. La capsule subit une décélération allant jusqu'à 315 g. La capsule utilise un système de parachute pour annuler sa vitesse finale avant l'arrivée au sol : un parachute pilote d'une superficie de 1,5 m² est suivi par le parachute principal de 15 m²[19].

Dès le début des années 1960, le bureau d'études de Sergueï Korolev avait commencé à étudier un véhicule automobile télécommandé capable de se déplacer à la surface de la Lune. Mais le projet de rover lunaire ne démarre réellement qu'en août 1964 lorsque les dirigeants de l'Union Soviétique décident de relever le défi américain du programme Apollo et de développer un Programme lunaire habité soviétique. Dans ce nouveau contexte le rôle assigné au futur rover lunaire est d'effectuer des opérations de reconnaissance pour préparer le débarquement des cosmonautes sur le sol lunaire. Le rover baptisé Lunokhod, c'est-à-dire marcheur lunaire en russe, est développé par la société Lavotchkine qui s'est associée pour le châssis au bureau d'étude de l'entreprise VNII Transmash de Leningrad spécialisée dans la fabrication des chars d'assaut pour l'Armée rouge[20]. Le rover est déposé sur le sol de la Lune par un atterrisseur. La sonde spatiale, constituée du rover et de l'atterrisseur, doit être lancée par une fusée Proton en cours de mise au point, surmontée d'un étage Bloc D chargé d'injecter l'engin vers la Lune[21].

L'ensemble constitué par cet étage et le rover a une masse totale comprise entre 5 660 et 5 700 kg dont environ 800 kg pour le rover. Le rover est constitué par un châssis à 8 roues de 51 cm de diamètre sur lequel est montée une structure pressurisée en forme de marmite qui est recouverte d'un "couvercle amovible" servant de support aux cellules d'un panneau solaire et recouvrant un radiateur thermique. L'ensemble est haut de 1,35 m, long de 1,7 m (2,22 m au niveau des roues) et large de 2,15 m au niveau du couvercle. La partie pressurisée contient notamment l'avionique, l'électronique des instruments scientifiques et les batteries. Les capteurs des instruments scientifiques et plusieurs caméras utilisées entre autres pour le pilotage du rover sont fixés sur les flancs de la partie pressurisée. Des antennes de télécommunication font saillie sur le dessus. Le rover comporte une dizaine d'instruments scientifiques. Le rover est conçu pour résister à trois nuits polaires soit environ trois mois. Le rover qui peut franchir des pentes de 20 % est piloté par une équipe de cinq opérateurs qui depuis la Terre utilise les images fournies par les caméras de télévision pour envoyer des commandes avec un léger décalage[22].

L'atterrisseur prend en charge le transit entre la Terre et la Lune et réalise un atterrissage en douceur. Il comporte des rampes de débarquement qui sont utilisées par le rover, positionné au-dessus de l'atterrisseur, pour débarquer sur le sol lunaire. L'atterrisseur comporte un moteur-fusée unique dont la poussée peut être modulée entre 7,4 et 18,8 kilonewtons et deux ensembles de réservoirs dont l'un est largué avant d'entamer la descente. L'atterrisseur réalise des corrections de trajectoire durant le transit de la sonde entre la Terre et la Lune puis injecte la sonde sur une orbite dont le périgée se situe à 15 km au-dessus de la zone d'atterrissage. Arrivé au-dessus de celle-ci, il annule la vitesse orbitale puis effectue une descente verticale vers le sol lunaire sur lequel il se pose en douceur en réduisant la vitesse verticale au cours des 600 derniers mètres[23].

Toutes les sondes de ce type forment le modèle Ye-8 dans la nomenclature du programme Luna.

Trois missions portant un rover Lunokhod ont été lancées. Le 19 février 1969, la sonde portant le premier rover est victime d'une défaillance du lanceur Proton[24]. La deuxième mission n'a lieu que 20 mois plus tard car la priorité a été donnée aux missions de retour d'échantillon. Ce n'est qu'après la réussite d'une mission de ce type (Luna 16) qu'est lancé le 10 novembre 1970 le rover Lunokhod 1 dans le cadre de la mission Luna 17. La mission se déroule à la perfection et le rover réussit à parcourir 10,5 km sur une période de 10 mois en effectuant de nombreuses photos et relevés scientifiques[25]. La mission Luna 21 embarquant le rover Lunokhod 2 est lancée le 8 janvier 1973. Là encore la mission se déroule de manière nominale : le rover parcourt 37 km et survit durant 5 mois[26]. Un quatrième rover est construit mais il n'est finalement pas lancé.

• Lunokhod
• 
  Panneau de contrôle de Lunokhod 1 (1).
• 
  Panneau de contrôle de Lunokhod 1 (2).
• 
  Gros plan sur les roues d'une maquette de Lunokhod 2.

Le modèle Ye-8 LS d'une masse de 5,7 tonnes utilise le module d'atterrissage du rover lunaire auquel est associé un module pressurisé en forme de cylindre aplati contenant les instruments scientifiques. La charge utile comprend notamment une nouvelle caméra à balayage linéaire permettant un champ optique de 180° avec une résolution de 100 mètres à une altitude de 100 km dans la direction du déplacement de la sonde et une résolution de 400 mètres perpendiculairement à celle-ci. Les autres instruments scientifiques étaient un spectromètre à rayons gamma destiné à mesurer la composition de la surface lunaire, un altimètre, un détecteur de micrométéorite, un magnétomètre, une expérience d'occultation radio, des détecteurs de radiation et une expérience de cartographie du champ gravitationnel reposant sur le suivi de la trajectoire de la sonde. Luna 22 emportait une caméra supplémentaire ainsi que des expériences technologiques destinées notamment à tester le comportement de lubrifiants dans l'espace[29].

• (en) Brian Harvey, Soviet and russian lunar exploration, Berlin, Springer Praxis, 2007, 317 p. (ISBN 978-0-387-21896-0 et 0-387-21896-3, lire en ligne)
• (en) Wesley T. Huntress et Mikhail Ya. Marov, Soviet robots in the Solar System : missions technologies and discoveries, New York, Springer Praxis, 2011, 453 p. (ISBN 978-1-4419-7898-1, lire en ligne)
• (en) Boris Chertok, Rockets and People volume 2 creating a rocket industry, NASA History series, 2006
• (en) Boris Chertok, Rockets and People volume 3, NASA History series, 2006
• (en) Brian Harvey et Olga Zakutnayaya, Russian space probes : scientific discoveries and future missions, Springer Praxis, 2011 (ISBN 978-1-4419-8149-3)
• (en) Andrew J. Ball, James R.C. Garry, Ralph D. Lorenz et Viktor V. Kerzhanovichl, Planetary Landers and entry Probes, Cambridge University Press, 2007 (ISBN 978-0-521-12958-9)
• (en) Asif A. Siddiqi, The soviet space race with Apollo, University Press of Florida, 1996, 489 p. (ISBN 978-0-8130-2628-2)

• Lune
• Lunokhod
• Pioneer, Ranger et Surveyor programmes américains d'exploration de la Lune de la même époque
• Programme Apollo

• (en) Soviet Missions to the Moon - NASA

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