24 сентября 1970 года возвращаемый модуль автоматической межпланетной станции (АМС) «Луна-16» совершил мягкую посадку юго-восточнее Джезказгана. Впервые в мире автоматической станцией на Землю были доставлены образцы лунного грунта. Общая масса колонки грунта, доставленного «Луной-16», составила 101 грамм.
12 сентября 1970 года ракета-носитель «Протон-К» с блоком Д вывела на траекторию полета к Луне АМС «Луна-16». Схема полета станции «Луна-16» от момента старта с Земли и до посадки на Луну полностью повторяла схему полета станций с самоходными аппаратами за исключением того, что существовали жесткие ограничения по выбору мест посадки. Эти ограничения диктовались условиями прямого старта возвратной ракеты к Земле после забора грунта.
Возможности ракеты-носителя «Протон-К» позволяли доставить на поверхность Луны возвратную ракету массой не более 5 кг — этого было недостаточно для обеспечения перелета Луна — Земля, учитывая необходимость проведения коррекций траектории. В этой критической ситуации было найдено совершенно оригинальное решение: посадку на Луну надо было осуществить в ограниченный район восточной части экваториальной зоны Луны — в этом случае вертикальный старт с Луны в строго заданное время обеспечивал попадание на Землю без коррекций траектории!
После забора грунта и определения лунной вертикали 21 сентября возвратная ракета стартовала с поверхности Луны строго вертикально. Весь обратный перелет до Земли возвратная ракета провела в неориентируемом состоянии с закруткой вокруг оси для равномерного прогрева аппарата от Солнца. Перелет по трассе Луна — Земля, длившийся 84 часа, проходил без коррекций траектории движения возвращаемой ракеты.
24 сентября за 8 часов до входа спасаемого аппарата в атмосферу Земли произошло его отделение от возвратной ракеты. Скорость входа в атмосферу составила 10 950 м/с, а максимальные перегрузки, действующие на спускаемый аппарат в процессе аэродинамического торможения, достигали 315 единиц. При снижении вертикальной скорости до 250 м/с на высоте 14,5 км была введена в действие парашютная система, и спускаемый аппарат совершил мягкую посадку. Программа полета станции «Луна-16» была выполнена полностью.
После вскрытия капсулы в Институте геохимии и аналитической химии АН СССР имени В.И. Вернадского (ГЕОХИ) выяснилось, что бур заполнен сыпучим лунным грунтом — реголитом, представляющим собой разнозернистый темно-серый (черноватый) порошок, который легко формуется и слипается в отдельные рыхлые комки. Эта особенность существенно отличает лунный грунт от земной бесструктурной пыли, по этому свойству он напоминает влажный песок или комковатую структуру земных почв. При этом зернистость реголита увеличивалась с глубиной. По химическому составу вещество лунного грунта представляло собой размельченную горную породу базальтового типа.
