В процессе предварительной проработки группе во главе с Глебом Юрьевичем Максимовым (1926–2001) удалось сконструировать несколько вариантов лунных научно-исследовательских станций. Модернизация ракеты "Р-7" путем установки на ней третьей ступени, получившей название "блок "Е"", делала полет беспилотных аппаратов к Луне вполне реальным даже на кислородно-керосиновом топливе.
Время на проектно-конструкторскую разработку, изготовление и отработку было минимальным: нужно было сохранить приоритет СССР в освоении космоса, обогнав американских конкурентов и по лунному направлению.
Эскизный проект третьей ступени ракеты "Р-7" был выпущен в 1958 году. Ракетный блок "Е" имел начальную массу 8 т и массу полезной нагрузки 350–450 кг. Стабилизация его в полете осуществлялась специальными соплами на отработанном газе по командам автономной системы управления. Впервые в конструкции ракетного блока предусматривалось поперечное разделение ступеней ракеты с запуском двигателя в условиях космического пространства.
Формирование конкретных советских планов по освоению Луны началось с письма, которое 28 января 1958 года Сергей Павлович Королев и директор Института прикладной математики АН СССР академик Мстислав Всеволодович Келдыш (1911–1978) направили в Центральный комитет КПСС. В письме были сформулированы два главных пункта лунной программы: во-первых, попадание в видимую поверхность Луны; во-вторых, облет Луны и фотографирование ее обратной стороны. Программа была одобрена главой государства Никитой Сергеевичем Хрущевым (1894–1971), после чего началось ее воплощение в реальных разработках.
Постановление правительства, принятое 20 марта 1958 года, предписывало разработать в ОКБ-1 несколько типов лунных станций: "Е-1" ("Луна-А") для посадки на Луну с доставкой на ее поверхность вымпела СССР; "Е-2" ("Луна-Б") для облета Луны и фотографирования ее обратной стороны с передачей изображения по радиоканалу на Землю; "Е-3" ("Луна-В") для полного картографирования Луны; "Е-4" ("Луна-Г") для посадки на Луну с фиксацией события яркой вспышкой на ее поверхности, при этом не исключалось применение термоядерного заряда.
Кроме того, Мстислав Келдыш в развитие программы исследований Луны предлагал еще несколько проектов: "Е-5" — фотографирование поверхности Луны с большим разрешением, создание лунного глобуса; "Е-6" — мягкая посадка исследовательской станции на Луну и передача на Землю панорамы лунного ландшафта; "Е-7" — создание долгоживущего искусственного спутника Луны.
2 сентября 1958 года вышло постановление правительства о запусках лунных станций. Появлению этого документа способствовали усилия американцев по завоеванию приоритета в освоении космического пространства. Потерпев неудачу на первом этапе, они обратили свои взоры к Луне, срочно разработав космический аппарат "Pioneer" для исследования Луны и окололунного пространства. Эти аппараты предполагалось запускать с помощью двухступенчатой американской ракеты "Thor Able" с разгонным блоком "Altair" и четырехступенчатой ракеты "Juno II" конструкции Вернера фон Брауна. Уже 17 августа 1958 года с мыса Канаверал был осуществлен первый запуск аппарата "Pioneer" (без порядкового номера) массой 38 кг, однако взрыв ракеты на 77-й секунде полета прервал путь аппарата к Луне. Следующие попытки: 11 октября, 8 ноября, 6 декабря 1958 года — также оказались неудачными. Но уже готовился запуск аппарата "Pioneer IV"!
Советские конструкторы приняли вызов. Межпланетные станции серии "Луна-А", разработанные группой Глеба Максимова, с индексами "Е-1" и "Е-1 А", различались между собой только настройкой применяемой научной аппаратуры, а конструктивно были подобны первому спутнику "ПС-1", хотя и больших размеров. "Е-1" представляла собой сферический контейнер из двух алюминиево-магниевых полусфер радиусом 400 мм, соединенных 48 болтами через шпангоуты. На верхней полусфере размещались четыре стержневые антенны радиопередатчика, две протонные ловушки для обнаружения межпланетного газа и два пьезоэлектрических "микрофона" для регистрации ударов метеоритных частиц. Полый алюминиевый штырь на полюсе верхней полусферы нес датчик для измерения магнитного поля Луны. На нижней полусфере размещались еще две протонные ловушки и две ленточные антенны второго радиопередатчика. Внутри контейнера на приборной раме размещались радиопередатчики, блоки приемников и телеметрии, научная аппаратура, серебряно-цинковые аккумуляторы и окисно-ртутные батареи. Масса контейнера "Е-1" составляла 187 кг.
Хотя все элементы космической системы тщательно отрабатывались, на начальном этапе советских конструкторов ждало разочарование. При пуске 23 сентября 1958 года станция "Е-1" погибла в результате разрушения ракеты "Р-7" на 87-й секунде полета. Решить проблему попытались, доработав программу запуска. 11 октября 1958 года состоялся новый запуск — опять неудача. Разрушением ракеты закончился и пуск 4 декабря 1958 года.
И только 2 января 1959 года к Луне стартовала ракета "Р-7" (8К72 № Б1-6, "Восток") с межпланетным аппаратом типа "Е-1", получившим в сообщении ТАСС название "Первая космическая ракета", а в печати — "Лунник" или "Мечта". Впервые в истории человечества рукотворный объект превысил вторую космическую, развив скорость 11,4 км/с.
Система управления ракеты совместно с наземными радиотехническими средствами обеспечивала вывод аппарата на требуемую траекторию. Пуск выполнялся без использования маневра старта с орбиты искусственного спутника Земли — тогда этого делать еще не умели. После выключения двигателя блока "Е" произошло отделение аппарата. Дальнейший полет продолжали уже два тела — через 34 часа после старта они прошли мимо цели на расстоянии 6400 км, проскочив расчетную точку раньше Луны и вышли на гелиоцентрическую орбиту. Причиной промаха стала ошибка, допущенная при работе наземных радиотехнических средств пеленгации и управления ракетой, — из-за нее двигатель блока "Е" выключился позже назначенного момента. Тем не менее руками человека была создана первая в мире искусственная планета Солнечной системы!
Астрономы Иосиф Самуилович Шкловский (1916–1985) и Владимир Гдалевич Курт (р. 1933) предложили использовать оптическое доказательство, что ракета летит к Луне, взрывом испарив на борту аппарата 1 кг натрия и создав искусственную комету. Натриевая комета образовалась 3 января 1959 года на расстоянии 113 000 км от Земли. Ее можно было увидеть в солнечных лучах как образование, по яркости равное шестой звездной величине.
Кроме того, "Луна-1" несла вымпелы. Один — сферический, сделанный из стальных пятиугольных элементов с зарядом взрывчатого вещества внутри, чтобы разбросать их при посадке. Другой — изготовленный в виде капсулы, заполненной жидкостью, внутри которой помещались алюминиевые полоски. К сожалению, доставить их на Луну в тот раз не удалось.
Поначалу американцы усомнились в существовании "Лунника", ведь даже крупнейшая английская радиообсерватория "Джодрелл Бэнк" не "услышала" его. Однако антенна Лаборатории реактивного движения все же нашла советский межпланетный аппарат, приняв слабый сигнал через восемь часов после того, как "Е-1" пролетел мимо Луны…
Американские ракетчики смогли воспроизвести успех советских только через два месяца — 3 марта 1959 года "Pioneer IV", запущенный с помощью ракеты "Juno II", достиг скорости 11,13 км/с, прошел мимо Луны на расстоянии 600 050 км и стал второй искусственной планетой Солнечной системы.
Однако лунная гонка еще только начиналась. Станция "Луна-2" (объект "Е-1А"), запущенная 12 сентября 1959 года (вслед за неудачным пуском 18 июня и сбоем на старте 9 сентября 1959 года), выполнила историческую миссию, впервые перелетев с Земли на другое небесное тело. Попадание на Луну было зафиксировано 14 сентября 1959 года в 00 ч 02 мин 24 с по московскому времени в момент исчезновения радиосигнала от аппарата при падении его восточнее Моря Ясности, в районе, находящемся поблизости от кратеров Аристил, Архимед и Автолик (в точке с примерными координатами: 30° с. ш. 0° д.). Сейчас этот район называется Заливом Лунника. Обработка данных по параметрам орбиты показала, что блок "Е" также достиг поверхности Луны.