20 сентября 1970 советская станция «Луна-16» совершила мягкую посадку в Море Изобилия
12 сентября 1970 года ракета «Протон-К» с блоком Д отправила автоматическую станцию «Луна-16» с Байконура к Луне. Аппарат типа Е8-5 создал Машиностроительный завод имени С. А. Лавочкина (ныне — Научно-производственное объединение имени С.А. Лавочкина Госкорпорации «Роскосмос») под руководством главного конструктора Георгия Бабакина: четырехопорная посадочная ступень несла регулируемый двигатель, два двигателя малой тяги, радиовысотомеры, бур и телефотометры, а над ней стояла ракета «Луна — Земля» со сферической возвращаемой капсулой диаметром 50 см. Высота станции составляла 3,96 м, стартовая масса — около 5600 кг, масса после прилунения — 1880 кг. «Луна-16» должна была сама сесть, взять грунт, запечатать его и вернуть на Землю без экипажа.
Сначала станция вышла на промежуточную околоземную орбиту с максимальной высотой 212,2 км и наклонением 51°36′. Через 70 минут блок Д разогнал ее к Луне, а двигатель посадочной ступени проработал 6,4 секунды и уточнил траекторию; вторая коррекция на пути не потребовалась.
17 сентября аппарат затормозил у Луны и перешел на орбиту высотой 102,6–118,6 км, с наклонением 70° и периодом 1 час 58 минут 53 секунды. Маневры 18 и 19 сентября сначала опустили периселений до 20,8 км, затем до 11,86 км и вывели трассу полета к выбранному району Моря Изобилия.
20 сентября в 8:12 по московскому времени основной двигатель включился на высоте 13,28 км и начал гасить орбитальную скорость. На высоте 2,45 км двигатель выключился, станция свободно падала 43 секунды, а на отметке 600 м включила его снова; доплеровский измеритель ДА-018 и радиовысотомер «Вега» передавали системе управления данные о скорости и высоте. На отметке 20 м аппарат снизил скорость примерно до 2 м/с, выключил основной двигатель и продолжил спуск на двух двигателях малой тяги; на высоте около 2 м гамма-высотомер «Квант» отключил и их.
В 8:18 станция коснулась поверхности со скоростью 4,8 м/с в точке 0°41′ южной широты и 56°18′ восточной долготы, примерно в 100 км к западу от кратера Уэбб; ошибка относительно расчетной точки составила 1,5 км. Солнце зашло там примерно за 60 часов до прилунения, поэтому «Луна-16» стала первым аппаратом, который сел на Луну ночью.
Через 45 минут после прилунения операторы включили грунтозаборное устройство. Светильники и три сеанса работы телефотометров не дали рассмотреть площадку в темноте, поэтому рабочую точку бура по азимуту не меняли. Штанга опустила к поверхности пустотелую трубу с резцами, бур за 6 минут 14 секунд прошел весь рабочий ход — 35 см — и остановился у твердой породы или крупного обломка; система также измеряла плотность грунта. Затем автоматика подняла штангу, подвела бур к капсуле, поместила колонку реголита в контейнер и закрыла его герметичной крышкой.
21 сентября в 10:43:21, через 26 часов 25 минут после прилунения, ракета «Луна — Земля» вертикально стартовала с посадочной ступени и выключила двигатель при скорости 2708 м/с; оставшаяся на Луне ступень продолжила передавать сведения о температуре и радиации.
Обратный перелет занял около 84 часов и прошел без коррекций: ракета медленно вращалась, чтобы Солнце равномерно нагревало ее корпус. 24 сентября в 4:50 по московскому времени сферическая капсула отделилась от ракеты, в 8:10 вошла в атмосферу со скоростью около 10,95 км/с и прошла баллистический спуск с перегрузкой до 315 единиц.
На высоте 14,5 км раскрылась парашютная система, на высоте около 11 км заработал основной парашют, а в 8:26 капсула села в 80 км к юго-востоку от Джезказгана в Казахской ССР. В ней находился 101 г серого мелкозернистого реголита; лаборатория вскрыла контейнер в среде чистого гелия, чтобы кислород и вода из земного воздуха не изменили образец. Исследования выявили в нем преимущественно обломки морских базальтов, в том числе богатых алюминием, а их возраст сосредоточился около 3,4 млрд лет.