Взятые образцы были помещены в контейнер возвратной ракеты и загерметизированы. После окончания перегрузки грунта в спасаемый аппарат с помощью телефотометра было повторно получено изображение места взятия проб фунта.
Старт возвратной ракеты с поверхности Луны с образцами лунного грунта состоялся 23 февраля, а уже 25 февраля 1971 года спасаемый аппарат приземлился в 40 км северо-западнее Джезказгана.
Главным результатом полета "Луны-20" стала доставка на Землю образцов лунного грунта массой 55 г. Этот новый образец лунного грунта представлял собой рыхлый разнозернистый материал светлосерого цвета, значительно более светлого, чем реголит из Моря Изобилия. Более светлый оттенок реголита "Луны-20" был подтвержден фиксацией отражающей способности места посадки.
Следующий аппарат из той же серии "Луна-23" ("Е-8-5М" № 410) был запущен 28 октября 1974 года, а 2 ноября 1974 года вышел на орбиту искусственного спутника Луны, близкую к расчетной.
Новая станция немного отличалась от предшественниц. В частности, в три раза была уменьшена заправка водой системы обеспечения теплового режима приборного отсека и снят высотомер малых высот "Квант". Основным же отличием стала замена грунтозаборного устройства. Новое буровое грунтозаборное устройство "ЛБ09" состояло из буровой головки, буровой штанги с колонкой и механизмом забора грунта, механизма подачи буровой головки, механизма перегрузки керна и контейнера для укладки керна. В процессе бурения грунт поступал во внутреннюю полость штанги, где была расположена гибкая трубка — грунтонос — и механизм, который подхватывает грунт и удерживает его в виде столбика на протяжении всего процесса бурения. По окончании бурения грунтонос с грунтом извлекался из внутренней полости штанги и наматывался на барабан, размещенный в специальном контейнере. Затем этот контейнер помещался в герметизируемую капсулу спасаемого аппарата возвратной ракеты. Максимальная глубина бурения составляла при этом 2,3 м.
В связи с жесткой установкой грунтозаборного устройства на корпусе посадочной ступени из состава аппаратуры были исключены телефотометры и светильники.
Конструкция возвратной ракеты и спасаемого аппарата осталась без изменения, за исключением герметизируемой капсулы для размещения грунта, чей диаметр был увеличен с 68 до 100 мм.
6 ноября 1974 года в заданное время была включена двигательная установка для схода "Луны-23" с орбиты. Первый этап торможения прошел штатно и закончился на высоте 2280 м. После выключения двигателя включился доплеровский измеритель скорости "ДА-018", который обеспечивал измерение скорости и дальности на этапе прецизионного торможения. Однако, когда на высоте 400–600 м должно было произойти переключение на второй диапазон измерений, этого не произошло. В результате с высоты 130 м прекратилось измерение высоты полета. Автоматическая станция "Луна-23" совершила посадку на поверхности Луны на западном крае Океана Бурь, западнее кратеров Рейнер и Марий, в точке с координатами 12° 4Г с. ш. 62°17′ в. д. При этом вертикальная скорость в момент посадки более чем вдвое превысила допустимую: 11 м/с вместо 5 м/с, а сама посадка была произведена на площадку с углом наклона 10–15°. При скорости и перегрузках, вдвое превышающих допустимые, в момент посадки аппарат опрокинулся на грунтозаборное устройство, что привело к его поломке, разгерметизации приборного отсека и отказу дециметрового передатчика.
Была предпринята попытка по командам с Земли включить грунтозаборное устройство и подготовить возвратную ракету к старту с поверхности Луны, но безрезультатно.
Очередная неудача не смутила конструкторов — они привыкли к неудачам. Автоматическая станция "Луна-24" ("Е-8-5М" № 413) была запущена с космодрома Байконур 9 августа 1976 года. 14 августа было проведено торможение станции, в результате чего она перешла на круговую селеноцентрическую орбиту.
18 августа в заданное время был включен двигатель посадочной платформы и спустя 6 минут "Луна-24" совершила мягкую посадку в юго-восточном районе Моря Кризисов, в точке с координатами 12°45′ с. ш. 62°12′ в. д.
Через 15 минут после проверки состояния бортовых систем станции, определения ее положения на лунной поверхности по команде с Земли было включено грунтозаборное устройство. Общая глубина бурения составила 225 см. В связи с тем, что оно производилось с наклоном, общее заглубление составило около 2 м.
Возвратная ракета станции "Луна-24" с образцами лунного грунта стартовала к Земле 19 августа, а уже 22 августа 1976 года спасаемый аппарат совершил посадку в 200 км юго-восточнее Сургута.
"Луна-24" доставила на Землю образцы лунного грунта массой 170 г, при этом номинальное погружение буровой колонки в грунт соответствовало 225 см, а фактическая длина колонки составила около 160 см.
Таким образом, на Землю были привезены образцы лунного грунта из Моря Изобилия ("Луна-16"), из его древнего материкового обрамления ("Луна-20") и из Моря Кризисов ("Луна-24").
Несмотря на неудачи и потерю станций, грунт с Луны, доставленный с помощью автоматов, добавил аргументов тем, кто доказывал, что пилотируемые полеты на Луну не нужны, они гораздо дороже посылки аппаратов, а результативность примерно такая же. Однако образцами грунта конструкторы из бюро Бабакина не ограничились.
В июне 1960 года Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР закрепило за Сергеем Павловичем Королевым тему по подготовке и осуществлению высадки космонавта на Луну. Тогда было принято решение о посылке на Луну, помимо пилотируемых кораблей с экипажами, автоматического самоходного. Так появился проект "Луноход", проходивший в документах под обозначением "Е-8".
В ОКБ-1 началась работа над конкретными эскизами. Специалисты, занимавшиеся проектированием, были оформлены в отдельную группу, научным руководителем которой стал Михаил Клавдиевич Тихонравов. В обязанности сотрудников вошли определение общего облика аппарата и его компоновка, постоянный учет массы и "привязка" последней к средствам доставки на Луну, предварительные расчеты схемы полета. В условиях жесточайших ограничений массы всех узлов предстояло определить оптимальный состав бортовых технических систем и средств, их номинальные и предельно допустимые параметры.
К этому времени испытания в Научно-исследовательском институте Госкомитета автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения, которому первоначально было поручено изготовление шасси лунохода, показали, что эта область промышленности не сможет обеспечить соблюдение заданных технических параметров.
После отказа НАТИ пришлось перерабатывать проект "Е-8". Были скорректированы некоторые технические параметры. Например, ужесточались требования к массовым характеристикам шасси: эта величина уменьшилась со 120 до 85-100 кг.
В целом же требования к луноходу были сформулированы так: продолжительная работоспособность в жестких условиях Луны, минимальная масса при максимальной проходимости, дистанционная радиотелевизионная или автономная программная управляемость движением лунохода, высокая надежность.
Но начинать надо было с прогноза механических свойств лунного грунта. Были установлены рабочие контакты с МГУ, Пулковской и Бюраканской обсерваториями, со специалистами по радиолокации Луны и специалистами Геологического института АН СССР.
Тихонравов внимательно следил за ходом работ, отклоняя поспешные и легковесные выводы. Так, например, при подготовке технического задания на шасси лунохода, желая сделать его максимально проходимым, ставилось требование преодолевать уклон величиной 45°. Когда пришли согласовать это задание к Михаилу Клавдиевичу, он прочел его и пояснил, что цифра очень завышена и что при таком угле наклона начинается естественное осыпание сухого грунта. Чтобы убедить составителей документа в нереальности выдвинутых требований, он тут же спросил: "Какой самый значительный уклон на улицах Москвы?" Москвичи, разумеется, знают, что наибольший уклон на московских улицах — в районе Трубной площади, но никто из присутствующих не знал его величину. "Вот поезжайте туда и померьте", — посоветовал Михаил Клавдиевич Тихонравов. Поехали, измерили. Оказалось, уклон всего лишь 12°.