1970年9月12日，苏联发射了“月球”-16号，即月球16号探测器，标志着苏联开始新的一系列新的杰出的空间科学研究。月球16号（俄语：Луна-16）是苏联的第一个月球探测计划“月球计划”的第31颗无人月球探测器，于1970年9月12日（UTC时间13:25:53）发射。它是人类历史上第一个实现在月球上自动取样并送回地球的探测器。它在阿波罗11号成功完成任务1年多以后用无人仪器将月壤带回地球，为在月球竞赛中落后的苏联挽回一些脸面。

月球16号发射总重5.8吨，大大超过了前两代月球探测器，但远逊于阿波罗飞船的48吨。月球16号总高度4米，最大跨度也为4米。类似于阿波罗飞船，月球16号也可以分为下降级与上升级。

下降级位于下部，负责采集月球样本，与地球进行无线电联络，提供所有的电力，同时它还充当上升部分的发射平台。下降级最下方是制动发动机，负责减速、着陆；游动发动机负责在飞行过程中修正轨道；4个对称分布的圆柱形推进剂箱，为发动机提供燃料；无线电高度表测试水平与垂直速度及辐射；月球样品采集装置拥有钻臂与空心钻管，钻管内有探测器可以感知月岩或月壤的阻力以确定钻速并且可以自动避开月岩；其他系统包括导航与控制系统、温度控制系统、无线电接受与发射系统、化学电池和4个可伸缩的缓冲着陆架等。

上升级位于上部，负责把装有月球样品的返回舱送回地球。上升级包括提供动力的发动机喷管；3个球形燃料箱；装有导航设备和化学电池的柱形仪器舱；位于仪器舱上方的球形返回舱，返回舱直径约50厘米，返回舱的下部是电池和信号发射装置，中部是装有钻管和月壤的样本舱，顶部为降落伞和下降天线。

“月球”-16号由质子火箭发射，它先被入241×185千米、倾角51.5度的地球轨道，在围绕地球运行70分钟后加速飞向月球。发射后的第二天，“月球”-16号主发动机点火，进行了轨道修正。9月17日，“月球”-16号反推发动机点火，并使“月球”-16号进入110千米、倾角70度（与月球赤道夹角）的初始环月轨道。9月18、19日，分别进行了两次轨道机动，在完成第一次轨道机动后，“月球”-16号进入110×15千米椭圆轨道；第一次轨道机动将轨道倾角改变为61度，并使轨道下降到106千米。9月20日，在月球轨道上飞行了75小时后，“月球”-16号在近月点时制动发动机点火，6分钟后，“月球”-16号成功地在0041S、56018E的月球黑暗区域实现软着陆。此后，“月球”-16号开始执行主要任务。

着陆后不到1小时，“月球”-16号上的自动钻开始工作，以钻取月壤样品，7分钟后当钻取深度达35厘米时停止钻取工作并退出，将月壤样品密封并送入“月球”-16号的返回舱，钻取并返回的样品总重101克。完成此项工作后，“月球”-16号“耐心”地在月球上等待地面发出返回指令，9月21日，“月球”-16号的上面级点火并离开月球，开始3天的“回家”旅程。3天后，“月球”-16号的返回舱安全地降落在苏联Dzhozkozgan东南80千米处。

“月球”-16号的发射重量约5800千克，约4米高，底部着陆架夸度约4米。“月球”-16号分成下降级和上升级2个主要部份，前者用于奔月轨道修正、轨道插入（orbital insertion）、向月面降落、月面软着陆、月壤样品采集等，并作为上升级的发射平台。上升级将从月球上起飞，携带月壤样品返回地球（必要时可进行轨道修正，但实际上未进行修正），并保证珍贵的样品能够回收。

下降级：下降级根据功能需要由如下几个部分组成，4个圆柱形燃料箱对称分布在下降级的两侧，它们将在月球轨道转移、轨道插入、轨道修正时向主发动机提供燃料；无线电高度表将提供水平和垂直两个面的下降速度和周围的辐射，只要的足够的动力它将持续工件到上升级起飞；化学电池向月球16号所有系统提供动力，并且在着陆后可以在月面提供数天动力。其它还包括温控系统、导航敏感器和控制系统以及无线电发射机和接收机等，它们均由电池提供动力。4个可伸缩的着陆桁架起减振作用，避免着陆时由着陆月面产生的撞击。

“月球”-16号在下降前，导航系统使“月球”-16号进入预定的下降轨道，下降级上的主发动机在准备下降时点火，“月球”-16号沿“自由落体”轨迹抵达月面（图28）。在主发动机点火前，4个燃料箱连同不再使用的导航系统一同被抛掉。月球16号在距离月面600米时，主发动机和4个游机再次点火，并根据“月球”-16号的计算机发出的指令程序改变推力，当下降到20米高度时，降落速度减速到2.5m/s，这时由2个较小的发动机接替主发动机，它们在“月球”-16号着陆前的舜间关机。通过关闭2个低推力发动机，可以大大减少发动机喷出物对月球表面的污染。“月球”-16号着陆后的总质量为1880千克。

一旦抵达月面，下降级上的2个遥测光度表就开始工作。0.9米长的钻臂具有在水平和垂直两个面内移动的能力，钻头根据程序对着陆区域进行研究，并可以避免月岩或研究特殊地点。自动钻在工作前需解栓、脱开保护罩，露出钻管，钻头可旋转180度。当钻臂移动到选定位置时，安装在钻头内的传感器将测试月壤的对钻的阻力，并使苏联科学家可以确定月壤的特性。钻速度可以根据被探测材料的密度进行改变，以防止钻头过热。当完成钻取月壤时，空心的钻头（钻管）将收集35厘米深的月壤。完成钻取工作后，钻臂抬起，钻头翻转180度，并且将含有月壤的钻头送进返回舱，然后抽出。一个自动装置将把月壤样品与钻管密封在返回舱中。

上升级由3部份组成：3个球形燃烧箱和发动机喷管，柱形仪器舱，直径50厘米的球形返回舱。仪器舱中有导航设备和化学电池。在仪器舱上面是返回舱，返回舱由3部份构成，位于返回舱下部的是是电池和信号发射装置，另外两个部份是装的月壤样和钻管的“货舱”以及位于顶部并装有降落伞和下降天线的装置。

“月球”-16号在月面停留26小时25分钟后，上升发动机根据地面指令点火，当上升级在获得2.708千米/s的速度后，发动机关机，返回舱开始3天弹道返回。由于从月球上进行的发射和地球插入有很高的精度，所以飞行过程中不需要进行轨道修正。9月24日，在约距地球48000千米时，返回舱与仪器舱分离。返回舱大约以11千米/s的速度进入地球大气层，再入大气层后，前缘温度超过10000摄氏度，过载达50G。最后，返回舱降落伞舱打开，在14.5千米的高度、约300m/s速度时打开减速伞, 当降至11千米时打开主伞。同时4个鞭形天线开始工作，以帮助确定返回舱的位置；同时两个圆柱形的气囊充气膨胀并位于返回舱下部，在返回舱下降的最后时刻，将标出所在位置，并迅速由地面人员取走并送到氦气环境下的专门实验室进行研究。

在美国的载人登月计划取得举世瞩目的成功后，苏联在无人探月领域取得了辉煌的成就，在“月球”-16号发射成功后不到2个月，苏联成功发射了月球17号，首次实现了无人月球漫游车探月，又一次震惊了世界。

1970年9月12日，四级型的质子号火箭（质子-K/D组级）现将月球16号送入一条远地点241千米，近地点185千米、倾角51.5度的地球轨道，70分钟后月球16号调整轨道飞向月球。9月17日，月球16号减速发动机点火，进入一条110千米、倾角70度的环月轨道。在经过多次调整后，月球16号最终进入了一条椭圆轨道。9月20日，月球16号开始沿自由落体轨迹下降，准备着陆前，4个燃料箱和导航系统一起被抛弃。距离月表600米时，月球16号再次启动发动机。下降到20米时，速度减至2.5米每秒，主发动机关闭，两个小型发动机接替其工作。着陆瞬间，所有发动机均被关闭。至此，月球16号成功实现软着陆，着陆后的月球16号质量为1.88吨。

抵达月面1小时后，下降级上的月样采集系统开始工作。钻臂长0.9米，可在水平与竖直两个方向上移动。工作前钻具自动解栓，脱开保护罩，露出空心钻管。钻头内有探测器，可感知阻力，钻头外形类似牙科医生使用的钻头。UTC时间9月20日6点30分，在选择好合适的地点后，钻头开始工作，7分钟内就钻进35厘米，取得101克月球样本。完成钻进后，钻臂抬起，钻头翻转180°，将样本与钻头送进返回舱。接着，钻杆与钻头自动分离，样本被密封起来。

在月面停留了26小时后，9月21日。上升级接收到地面指令发动机点火，上升级速度达到2.708千米后，发动机关闭。三天后接近地球。9月24日，距离地球4.8万千米时，返回舱和仪器舱分离。接着，返回舱以每秒11千米的速度进入大气层，过载达到50G，前端温度最高时达到10000摄氏度，在空中发出耀眼的白光。不久，降落伞舱被打开，降至14.5千米、速度每秒300米时减速伞被打开；降至11千米时主伞打开、4个鞭形天线开始工作，向地面提供返回舱位置，两个圆柱形气囊充气膨胀，做好最会的着陆准备。9月24日，月球16号返回舱成功降落在Dzhozkozgan东南处80千米位置。很快就钻头与月样被工作人员用直升机运往莫斯科的一处氦气环境实验室进行研究。这是第一个实现在月球上自动取样并送回地球的探测器。