СССР приступил к исследованию Луны и окололунного пространства с помощью беспилотных космических аппаратов в середине XX века. 14 сентября 1959 года автоматическая межпланетная станция (АМС) «Луна-2» впервые в истории достигла поверхности Луны, а благодаря успеху миссии «Луны-3» были впервые получены изображения обратной стороны Луны. Наконец, 3 февраля 1966 года впервые в истории была осуществлена мягкая посадка космического аппарата на Луну. Советская автоматическая лунная станция «Луна-9» прилунилась в Океане Бурь и в течение трех дней передавала на Землю телевизионные изображения лунного ландшафта. Эти данные предоставили ценный материал для исследования микроструктуры поверхности Луны. «Луна-9» стала первым аппаратом, подготовленным в КБ им. Лавочкина, куда работа была передана из ОКБ-1 по инициативе Сергея Королева.
Сам знаменитый конструктор так и не увидел мягкую посадку на Луну, о чем долго мечтал, — он умер за три недели до эпохального события.
«Луна-9» предоставила ученым много новой информации о поверхности Луны. В повестку встал вопрос об изучении окололунного пространства с помощью орбитальных спутников. С этой целью в КБ им. Лавочкина разработали аппарат «Луна-10».
31 марта 1966 года с космодрома Байконур была запущена ракета-носитель «Молния-М». Она вывела станцию на траекторию полета к Луне. «Луна-10» должна была продолжить программу по освоению естественного спутника Земли, и сама стать ее спутником. Главной задачей полета было закрепиться на орбите Луны, исследовать окололунное пространство, а также химический состав ее поверхности на видимой и обратной стороне. В те дни в Кремле проходил XXIII съезд КПСС, на котором для Леонида Брежнева был восстановлен пост генерального секретаря ЦК. За полетом в СССР следили с особым вниманием.
АМС «Луна-10» была сконструирована на базе своей предшественницы «Луны-9» и состояла из двух основных частей: двигательной установки с отсеками для размещения аппаратуры астроориентации и управления полетом и искусственного спутника Луны, который отделялся после выхода на окололунную орбиту. Сам спутник «Луна-10» представлял собой герметичный контейнер, в котором было установлено научное оборудование: телеметрическая система, программно-временные устройства, аппаратура для исследования Луны и окололунного пространства, система терморегулирования, источники питания.
При старте с промежуточной орбиты искусственного спутника Земли разгонный блок обеспечил автоматической станции скорость около 10,9 км/с.
При такой начальной скорости время полета до Луны составило немногим меньше трех с половиной суток. При входе в сферу действия Луны станция имела скорость около 1 км/с по отношению к Луне. Для вывода станции на заданную окололунную орбиту была произведена коррекция траектории. В результате этого «Луна-10» вышла на пролетную траекторию, проходящую на заданном расстоянии от поверхности Луны.
После вывода станции на орбиту искусственного спутника Земли она была переведена на траекторию полета к Луне. В результате коррекции, проведенной 1 апреля, скорость движения станции изменилась в нужном направлении на необходимую величину. Наземные измерения и расчеты показали, что траектория после коррекции практически проходит через расчетную точку. И только после этого были определены исходные данные для проведения торможения с целью перевода станции на орбиту спутника Луны. Перед этим примерно на расстоянии 8 тыс. км от поверхности Луны станция была ориентирована таким образом, чтобы в момент торможения около Луны сопло двигателя было направлено против движения.
3 апреля 1966 года в 21 час 44 минуты по московскому времени автоматическая станция «Луна-10» была выведена на окололунную орбиту и стала первым в мире искусственным спутником Луны.
Через 20 секунд после выключения тормозного двигателя система управления выдала сигнал на отделение искусственного спутника Луны от двигательной установки и отсеков системы управления. Затем начался первый сеанс радиосвязи с искусственным спутником Луны. Выяснилось, что аппаратура спутника работает нормально, и он продолжает свой полет по программе.
«Запуск станции «Луна-10» на окололунную орбиту — выдающееся историческое событие, — отмечал советский астроном Дмитрий Мартынов, в то время — директор Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга. — Нужно сказать, что с технической точки зрения создание искусственного спутника Луны — необычайно сложная задача. Хотя мы уже привыкли к тому, что «космическая точность» стала поистине эталоном, в этом эксперименте были побиты рекорды точности. Ведь станции в строго заданный момент времени необходимо было придать определенную скорость и направление, чтобы она была «захвачена» Луной и стала ее спутником. Этот маневр был выполнен блестяще».
4 апреля 1966 года участники XXIII съезда КПСС, в том числе Юрий Гагарин, встретили овациями известие об очередном триумфе советской космонавтики.
Прямо с орбиты Луны спутник транслировал мелодию «Интернационала», которую делегаты слушали стоя.
«Вывод объекта на орбиту спутника Луны говорит о могуществе человеческого разума. Станция «Луна-10», созданная советскими учеными, инженерами и рабочими, вращается вокруг Луны с периодом обращения 3 часа, с периселением около 350 км и апоселением — около 1000 км. Таким образом, стало реальностью создание спутников у небесных тел по воле человека», — констатировал академик АН СССР Александр Имшенецкий.
Наблюдение за полетом искусственного спутника Луны и измерение параметров его орбиты производились центром дальней космической радиосвязи. Пока «Луна-10» вращалась на орбите, ученые напрямую получали данные о поверхности Луны и окололунном пространстве. По характеру отраженного гамма-излучения они узнали общий химический состав и тип пород, залегающих на лунной поверхности.
Аппарат передал данные о напряженности лунного магнитного поля и отсутствии радиационных поясов на ее орбите.
Анализируя траекторию аппарата, ученые впервые обнаружили аномалии гравитационного поля Луны: в некоторых ее областях притяжение было сильнее, чем в других. Пролетая над ними, аппарат ускорялся, что отображалось на траектории его движения. Кроме того, были получены данные о плотности метеоров в пространстве на орбите.
«Луна-10» активно работала 56 суток, совершив 460 витков вокруг Луны и пролетев около 7 млн км. За это время было осуществлено 219 сеансов радиосвязи. 29 мая 1966 года «Луна-10» упала на поверхность Луны. Исследования были продолжены следующими аппаратами программы «Луна».