Запуски американских аппаратов типа «Сервейер» имели целью не только измерение химического состава грунта — планировалось и изучение лунного рельефа, гравитационного поля Луны, а также различных физических условий на лунной поверхности. Осуществление этой программы началось в 1966 г., когда «Сервейер-1» совершил мягкую посадку в Океане Бурь и передал на Землю изображения лунной поверхности. С помощью прилунившегося в апреле 1967 г. «Сервейера-3» проводилось (помимо телевизионной съемки поверхности) определение механических свойств грунта. Запуски «Сервейера-2 и -4» окончились неудачей.
Последние три аппарата этой серии — «Сервейер-5, -6 и -7», запущенные в 1967–1968 гг., передали цветное изображение лунной поверхности, исследовали механические свойства лунного грунта, а также произвели определение в нем содержания ряда элементов методом «обратно рассеянных альфа-частиц».
Суть этого метода в следующем. Альфа-частицы, испущенные радиоактивными источниками, при столкновениях с ядрами атомов испытывают рассеяние, причем энергия рассеянных частиц зависит от сорта ядер и от угла, под которым вылетела рассеянная частица. Если облучить какое-либо вещество альфа-частицами строго определенной энергии и установить (под фиксированным углом) счетчик рассеянных частиц, то он будет регистрировать альфа-частицы лишь определенных энергий, соответствующих наличию в изучаемом веществе тех или иных химических элементов, т. е. будет получен определенный спектр альфа-частиц. В действительности же, из-за особых свойств радиоактивных источников и счетчиков спектр будет состоять не из линий, а из «обрывов», соответствующих положению этих линий (рис. 5). По положению «обрывов» и определяют, какие элементы присутствуют в исследуемом образце.
Исследования химического состава лунного грунта были начаты с орбиты искусственных спутников Луны. Эти спутники позволили изучить характеристики окололунного пространства, магнитного и гравитационного полей Луны, а также, что особенно важно для нас, получить общие сведения геохимического характера. Естественно, что такие исследования являются глобальными, т. е. их результаты получаются усредненными по значительным площадям лунной поверхности.
Измерения, проведенные с помощью гамма-спектрометра, установленного на первом искусственном спутнике Луны — станции «Луна-10», позволили получить данные о гамма-излучении больших областей лунной поверхности. Часть этого излучения, как полагают, возникает за счет взаимодействия космических лучей с поверхностью, а другая связана с собственной радиоактивностью лунных пород. После сравнения интенсивности гамма-излучения от распада в лунном грунте естественных радиоактивных элементов (калия-40, изотопов урана и тория) с интенсивностью излучения этих элементов, содержащихся в земных горных породах, ученые пришли к выводу, что лунные породы содержат радиоактивные элементы, концентрация которых соответствует земным породам основного состава (типа базальтов). Таким образом, полученные данные указывали на отсутствие (в районах лунной поверхности, где проводились измерения) пород с таким же содержанием радиоактивных элементов, как в земных кислых породах (гранитах). Вместе с тем нельзя было на основании лишь орбитальных исследований полностью исключить возможность существования ультраосновного или метеоритного вещества в этих районах.
Исследования Луны с орбит искусственных спутников были продолжены советскими станциями «Луна-11, -12, -14 и -15» (1966–1969 гг.) и пятью американскими аппаратами серии «Лунар орбитер» (1966–1967 гг.). Эти станции дали возможность получить детальные снимки больших площадей видимой и невидимой с Земли сторон Луны, определить аномалии ее гравитационного поля, изучить метеоритную и радиационную обстановку в окрестностях Луны. Полученные результаты позволили сделать вывод о реальности осуществления полетов пилотируемых космических кораблей. Началась также отработка возможности мягкой посадки космической станции в разных районах Луны, т. е. проведение различных маневров с изменением селеноцентрической орбиты («Луна-15»).
Прогресс ракетно-космической техники позволил осуществить желания многих ученых провести непосредственные исследования химического состава вещества лунной поверхности — «почвы» Луны. При этом стали возможны три вида исследований: 1) исследование общих, глобальных характеристик поверхности с помощью приборов, расположенных на искусственных спутниках Луны; 2) непосредственное изучение состава Луны с помощью приборов, доставленных на ее поверхность; 3) анализ образцов лунного грунта, доставленных на Землю.
Что же конкретно предстояло изучить? Во-первых, нужно было определить химический состав вещества лунной поверхности и сравнить его с составом Земли, метеоритов и Солнца. Во-вторых, предстояло исследовать роль внутренних (излияние лавы, движение коры) и внешних (удары метеоритов, солнечное облучение) процессов в создании современного рельефа лунной поверхности, и, конечно же, ученых прежде всего интересовало, похожи ли по своему составу лунные и земные породы.
Классификация типов земных пород, упомянутая выше (см. 1-ю сноску), исходит из различного содержания в этих породах наиболее распространенных химических элементов — кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, калия, кальция, титана и железа, которые называются основными породообразующими элементами (их суммарное содержание в любых земных породах достигает 99 %).