前苏联的第三代月球探测器非常了不起，它们能够自动在月面上挖土采样，并能返回地球。1970年9月24日，前苏联经历多次失败后，首次实验成功从月球上自己飞回地球的小小球形返回舱，这是“月球16”号的杰作。返回舱里带回的101克月球岩石颗粒样品，使地球人第一次真真切切地见到了“天外来客”，这为前苏联人又一次赢得了“第一”。不过，“月球16”号是第二个自动取样返回探测器，先于它一年发射的“月球15”号，不幸撞毁在月球上。“月球16”号，质量约5800千克，由“质子”号重型火箭发射。它由上下两个部分组成，上面部分称为“上升级”，负责把装有月球样品的返回舱送回地球；下面部分称为“着陆级”，主要由制动发动机、游动发动机和圆柱形推进剂箱、月球样品采集装置、导航与控制系统、温度控制系统、通信系统、化学电池和缓冲着陆架等组成。它于1970年9月12日起程，经过5天的长途跋涉在月球表面软着陆。着陆级先开始工作，它伸出钻臂，露出空芯的钻管，开始采集月球样品。钻臂可以移动以避开过硬的月岩，钻头内的传感器可以测试月岩或月壤的阻力以确定钻头的转速，只用7分钟钻头就钻进35厘米深，采集了101克样品，然后它将含有月壤的钻管送进返回舱，并进行自动密封。随后，根据地面指令上升发动机点火，返回舱踏上返程。3天后，在约距地球48000千米时，返回舱与仪器舱分离，以大约11千米/秒的速度进入地球大气层。由于是弹道式返回，在穿过大气层时它的前缘温度超过了10000℃，过载达50克。距地面145千米高度时返回舱的降落伞打开，落地前，它发出信号，帮助地面搜索人员寻找。
“月球16”号发射后，前苏联又先后公布了4个月球自动取样返回探测器，但“月球18”号和“月球23”号失败，“月球20”号因遇到坚硬的月岩只取回了05克样品，“月球24”号取回了170克样品。
1970年11月17日，当人们的目光关注于“阿波罗”登月航天员时，前苏联发射的“月球17”号携带了世界第一辆无人驾驶月球车“月球车1”号。它昼行夜伏，受了白天炽热和夜晚寒冷的严峻考验，行走了1054千米，测定了500多处月壤表层的物理力学特性，分析了25个地点的月壤化学参数，拍摄了20000多张月面照片和200多张全景照片，取得了巨大的成功。它在月球上平安度过了7230小时，它代表了当时无人月球探测技术的最高成就。“月球车1”号的外形像个婴儿车，有8个轮子，每个轮子都分别控制，车子可前后运动和转弯。它带有能插入月壤测试物理力学性质的透度计，测定月壤化学参数的X射线分析仪，专门研究月表磁场特性的磁力计，用于测量地—月距离的激光反射镜，测量可见光和紫外线强度的光度计，以及接收宇宙射线和观测太阳的高灵敏度仪器，它还携带了多个获取月表图像的摄像设备。它不但能够将一些测试数据及时送回地球，还能进行一些现场分析，并将结果送回地球。
“月球车”的电源系统设计得非常有创意。在月球车的仪器舱上有一个布满了太阳能电池的大盖子，白天，它敞开着，使太阳能电池接受强烈的太阳辐射，为蓄电池充电；夜晚，温度骤降，盖子闭合，起到保持温度的作用，并依靠放射性同位素燃料放热取暖。月球车用“放射性同位素温差发电器”作为长寿命电源，这种电源不受环境温度的影响，可以长时间放电。1971年2月9日，“月球车1”号经历了一次月食，地球挡住了太阳，3个小时内月球温度从130℃骤降到-100℃，然后又返回到136℃。
“月球车1”号走得最远的一天是第5个月球白天，即1971年3月7~20日，这一天它走了2004米；最险的是在第6个月球日，它陷入了月坑中，控制人员不得不关上太阳能电池板，让它冒险冲出那个倒霉的月坑。当它度过第11个月球之夜时，它的放射性同位素燃料耗尽了，这时它已自动考察了80000平方米的区域。
“月球车1”号之后，“月球车2”号继往开来，它在月面上生存了5个月球昼夜，行驶了37千米，发回了80000张电视图片和86张全景图片，考察的面积是“月球车1”号的4倍。前苏联准备在1977年发射更加先进的“月球车3”号，但最后终止了这项计划，“月球车3”号被永久地搁置在博物馆里。
“月行者”月球车
“月行者1”号有一辆马车那样大小，车长22米，宽16米，质量756千克。车分上下两部分：上部分是仪器舱，下部分是自动行走底盘。仪器舱是由镁合金制成的密封舱，它保证仪器仪表在月球上工作时不受外部环境影响，舱内装有无线电发送和接收设备、遥控仪器、供电系统、温控系统等，还载有4台全景摄像机。自动行走底盘下装有8个车轮，车按地面指令运动。月球车的运动有两种：一种是向预定的地点行驶，另一种是在某一固定的地段内徘徊。它在月面的一切活动由地面控制中心操纵，也就是说，“月行者1”号在月球上行驶，而它的驾驶员却坐在38万千米外的地球上。
这辆月球车设计寿命为3个月，实际上在月球上工作达11个月，一直到1971年10月4日才停止行驶。在此期间，它在月面进行了4次巡游，行程10540米，考察面积达9万平方米。它在500多个月面点上进行了土壤物理测试，在25个点上进行了土壤化学分析，并拍摄了两万多张月面照片。从“先驱”到“勘测”
与前苏联的辉煌相比，美国的起步显得更为艰难。美国探月初期发射的5颗“先驱者”探测器几乎没有一个获得成功，它失败的主要原因是，火箭没有足够的推力使之达到地球的逃逸速度并送到月球轨道，虽然“先驱者4”号勉强成功，但它飞越月球时距月球尚有近6000千米之遥，它的探测仪器基本没有发挥作用。
“徘徊者”号探测器示意图
美国的“徘徊者”系列探测器从1961年到1965年间一共发射了9次，是用“徘徊者”的身躯活生生地砸向月球，利用高速撞击月球“壮烈牺牲”前的瞬间拍摄月球表面，并将拍摄的信息传送回地球，目的是获得月球形貌近距离照片，为在月面硬着陆提供参考数据。但“徘徊者”计划就像它不太吉祥的名字一样，在最初阶段遭受了巨大的挫折，前6次发射它们总在地月间徘徊不前均告失败，直到1964年7月“徘徊者7”号才首次圆满完成了任务，并在撞击月球前向地面发送了4316幅高质量的月球面照片。其中，它的最后一幅面是在距月面仅426米高时拍摄的，揭示了不到1米大小的细节。“徘徊者8”号飞向了静海内一个平坦的区域。它发现那里的地形虽然是坡势平缓的平原，但到处都是月坑。看来，要为“阿波罗”飞船选择又开阔又没有月坑的区域是十分困难的。“徘徊者7、8、9”号后来工作得比较顺利，它们共发回了上万幅照片。
“勘察者”计划是继“徘徊者”之后的一项大胆的月球软着陆计划。但“勘察者”的研制工作遇到了许多技术难题，造成了严重的进度延误。面对计划严重受阻，美国不得不将初步工作指标降低到“勘察者”飞行任务所需的最低水平——把975千克有效载荷送入月球轨道，并使科学有效载荷减少到45千克左右。该系列探测器共发射了7个，其中5个在月球上实现了软着陆，一个在修正航线时发生了滚转而失败，另一个在着陆时神秘失踪。
1966年是月球探测好戏连台的一年。在前苏联的“月球9”号率先实现月球软着陆后不到4个月，美国的“勘察者1”号探测器便以第二名的身份于6月2日轻柔地着陆在“风暴洋”内一块平坦地带，随后成功传回了11240幅图片。“勘察者1”号发现了一片点缀着无数个月坑并散布着大大小小、形状各异的岩石的地带。它没有发现很深的软土层，分析人员据此推断月面的硬度足以支撑探测器和人体。此后的一年半时间里，美国又连续发射了6个“勘察者”探测器，其中4个取得了成功。
在为“阿波罗12”号飞船寻找着陆地点的时候，美国亚利桑那大学发现了“勘察者3”号的准确降落点，借助月球图片作“向导”，1969年11月“阿波罗12”号降落到离“勘察者3”号仅180米的地方。
1967年9月，“勘察者5”号在静海一个月坑的陡峭内坡上着陆。它携带了一台阿尔法后向散射仪，该仪器对月面物质的化学成分进行了相当精确的分析，指出着陆区月表的化学成分类似于地球上的玄武岩。“勘察者5”号和“勘察者6”号在月球软着陆并完成考察任务后，还进行了发动机的瞬间点火，以试验火箭发动机会对月面产生什么影响。发动机点火后，“勘察者”飞到了距最初着陆点几米的新地点，从月面受到的侵蚀量不大这一点可以看出，发动机点火将不会给“阿波罗”飞船带来严重问题。1968年1月发射的“勘察者7”号是这项计划的最后一个探测器，它成功着陆在第谷月坑正北的一片高地上。
在“勘察者1”号升空后的2个月，美国无人月球探测器家族的第三个成员——“月球轨道器”开始了它的环月飞行旅程。“轨道器”的任务是对“阿波罗”飞船所有可能的着陆场进行拍照，测量月球周围的流星体通量，并通过对探测器的精确跟踪来确定月球的引力场。轨道器不仅完成了所有这些任务，而且取得了其他成果。“月球轨道器1”号于1966年8月发射，它对“阿波罗”飞船的9个主候选着陆场和7个次候选着陆场进行了大量拍摄，获得了质量甚佳的中等分辨率照片，此外还获得了一些月球背面的照片以及地球和月球的斜视照片。接下来的两颗“月球轨道器”分别于1966年11月和1967年2月发射，它们拍摄了20个候选着陆场的优质照片，再次拍摄了月球背面和其他具有科研价值的月球特征照片，另外还获得了月球地形的斜视景象。在“月球轨道器3”号所拍摄的“阿波罗”飞船候选着陆场中，还从无数个月坑之间找到了闪闪发光的“勘察者1”号。由于针对“阿波罗”计划的几项主要目标在第3次任务结束时就已基本实现，所以“月球轨道器”第4次和第5次飞行主要都用于实现更广泛的科学目标：第4次飞行期间对整个月球正面进行了拍摄，而第5次飞行则拍摄了月球正面36个有特殊科学意义的区域。此外，“轨道器”还拍摄了月球背面99％的区域，而且清晰度比此前利用地面望远镜拍摄的正面照片要好得多。
“阿波罗”飞船着陆场勘察工作取得了令人意外的结果，似乎月面上没有一处很平坦无月坑的地方，找不到符合“阿波罗”飞船着陆场最初规定的地点。因此，美国宇航局对登月训练设施进行了改造，以使航天员练习如何避开月坑，在相对平坦的地方降落。
根据“月球轨道器”获得的信息，月球附近没有对航天员安全构成威胁的辐射或流星体。通过对探测器轨道进行详细分析发现，这些轨道有轻微的摄动，表明月球的引力场是不均匀的，由此推断月球内部隐藏着一些质量密集区——“质量瘤”。这提醒“阿波罗”计划的规划人员在精确计算“阿波罗”飞船飞行轨迹时，要相应地考虑“质量瘤”引起的轨道摄动，发现和确定这些“质量瘤”，为登月舱高精度地着陆和准确交会提供了可靠性。
“徘徊者”、“勘察者”和“月球轨道器”是值得信赖的先遣队，它们为“阿波罗”飞船的载人飞行打下了良好的基础，美国人从此有了足够的信心，“阿波罗”出风头的时机终于来临了。
20世纪80年代，美国第一个踏上月面的航天员阿姆斯特朗应邀访问中国，在谈话中，他说了一句玩笑话：“第一个住进月宫的是一位中国的美女，她叫嫦娥；而第一个踏上月球的却是一个美国男人，那就是我。”他对“嫦娥”的发音有些搞不准，但他知道，在古老的东方国度里，嫦娥的地位如同西方人尊崇的月神阿尔忒斯，她是世界上最早住进月宫里的仙女，并从远古一直“活”到了今天。
软着陆
人造卫星、宇宙飞船等在降落过程中，逐渐减低降落速度，使得航天器在接触地球或其他星球表面瞬时的垂直速度降低到很小，最后不受损坏地降落到地面或其他星体表面上，从而实现安全着陆的技术。例如，通过推进器进行反向推进，或者改变轨道利用大气层逐步减速，或者利用降落伞降低速度。一般来说，每种航天器都是通过多种减速方式共同作用进行减速，达到软着陆的目的。
相对于软着陆，物理上的硬着陆一般是指航天器未减速（或未减速到人员或设备允许值），而以较大速度直接返回地球或击中行星和月球，这是毁坏性的着陆。