Исследования Луны с помощью самоходных автоматических аппаратов, начатые «Луноходом-1», были продолжены во время работы «Лунохода-2». Главной задачей научной программы «Лунохода-2» являлось комплексное исследование лунной поверхности в переходной зоне «море — материк», своеобразной границе между «морем» и «материком». С помощью «Лунохода-2» предстояло изучить изменение свойств поверхности и выявить вариации различных характеристик рельефа и грунта в этой области.

Для решения поставленной задачи «Луноход» был оснащен оборудованием, включающим улучшенную систему телевизионных и фототелевизионных камер (с устройством для количественных исследований оптических характеристик поверхности), магнитометр, приспособление для определения физико-механических свойств грунта и рентгеновский спектрометр РИФМА-М. В совокупности эти приборы действительно позволили выявить многие особенности строения верхнего покрова Луны в граничной зоне между «морем» и «материком».

Технические возможности «Лунохода-2» позволили установить на его борту наряду с перечисленными приборами также и другую аппаратуру: астрофотометр для измерения светимости лунного неба, радиометр, фотоприемник «Рубин-1» (для проведения экспериментов по лазерной пеленгации), а также лазерный уголковый отражатель.

8 января 1973 г. станция «Луна-21» с «Луноходом-2» на борту стартовала с Земли, а 16 января совершила мягкую посадку в южной части кратера Лемонье, находящегося на восточной окраине Моря Ясности, в точке с селеноцентрическими координатами 25°51′ с. ш. и 30°27′ в. д.

Море Ясности (второе по величине после Моря Дождей) относится к поясу круговых лунных «морей». Его чаша является одним из весьма древних образований лунного рельефа. Затопление ее базальтовыми лавами, видимо, произошло на сравнительно позднем этапе истории Луны. Таким образом, Море Ясности можно считать одним из сравнительно молодых «морей» на лунной поверхности. В процессе образования этого «моря» на его окраине был частично разрушен вал и затоплено базальтовыми лавами днище одного из ранее существовавших на материке кратеров размером 55 км в поперечнике.

В непосредственной близости от места посадки была расположена приподнятая холмистая область, к востоку и югу переходящая в «материковую» местность и далее в горные массивы Тавр. Большой интерес представлял и крупный тектонический разлом поверхности длиной около 16 км, который также находился в зоне досягаемости «Лунохода-2» (рис. 10).

Рис. 10. Маршрут движения «Лунохода-2» в кратере Лемонье. Юго-западная часть маршрута пролегала в холмистой части предгорий, остальная часть — по днищу кратера. В частности, восточная часть маршрута проходила вблизи тектонического разлома (Борозда Прямая). Цифрами обозначены точки, где проводился анализ химического состава

После проверки функционирования бортовых систем, осмотра места посадки и калибровки спектрометра РИФМА-М начался спуск «Лунохода-2» с посадочной платформы «Луны-21». Детально обследовав с помощью «Лунохода-2» посадочную ступень и условия посадки, ученые приступили к выполнению обширной программы научных экспериментов на лунной поверхности. За время работы «Лунохода-2» на лунной поверхности с января по май 1973 г. им был пройден путь более 37 км, включавший участки с весьма сложным рельефом, сыпучим грунтом и каменными россыпями.

Богатый практический опыт, накопленный в ходе работы «Лунохода-1», позволил внести в систему «Лунохода-2» ряд усовершенствований, которые значительно расширили его возможности по маневренности, скорости и дальности перемещения. Это обстоятельство позволило поставить перед «Луноходом-2» гораздо более разнообразные и сложные задачи. В частности, при исследовании переходной зоны предусматривалось проследить, насколько резко меняются геолого-морфологические характеристики поверхности и химический состав грунта при переходе от «моря» к «материку», как и насколько резко меняется тип пород, слагающих поверхность в этом районе.

Хотя для проведения химических исследований на «Луноходе-2» был использован тот же принцип, что и на «Луноходе-1», в устройство спектрометра, однако, был внесен ряд существенных изменений, вызванных как постановкой новых физических задач, так и улучшением технических характеристик самого прибора. В связи с тем, что «Луноходу-2» предстояло исследовать переходную зону «море — материк» и выяснить характер изменения химического состава грунта в этой зоне, требовалось найти аналитический признак, достаточно четко характеризующий два существенно различных типа поверхности — «морской» и «материковой». Рассмотрение имевшихся данных по химическому составу вещества лунной поверхности показало, что наиболее четким признаком с этой точки зрения является содержание железа, составляющее в «морях» 10–15 %, а в «материковых» районах — всего 3–5 %.

На основании этого большое внимание при разработке прибора РИФМА-М было обращено повышению его чувствительности и точности измерения содержания именно этого элемента. Были изменены конструкция и компоновка выносного блока, тип используемых радиоактивных источников и их расположение по отношению к блоку детекторов, улучшена конструкция детекторов, а также установлен специальный детектор для регистрации рентгеновского излучения Солнца.

Дело в том, что поверхность Луны, лишенная атмосферы, представляет собой идеальную платформу для рентгеновских исследований, которые невозможно проводить, находясь на поверхности Земли: все рентгеновское излучение, идущее к нам из космоса, полностью поглощается земной атмосферой. Поэтому на основе спектрометра РИФМА-М был задуман дополнительный астрофизический эксперимент по регистрации рентгеновского излучения космического происхождения. Детектор был расположен в верхней части выносного блока, возможность постоянного контроля его работоспособности обеспечивалась наличием в нем калибровочного источника. По положению линии этого источника в спектре детектора, ее ширине и амплитуде можно было судить о стабильности его параметров (усиления, эффективности, разрешающей способности).

Остальные детекторы, предназначенные для регистрации флуоресцентного излучения лунного грунта, располагались, как и в аппаратуре РИФМА («Луноход-1»), в нижней части выносного блока. Ряд детекторов был снабжен характеристическими фильтрами для разделения спектральных линий, близких по энергии флуоресцентного излучения элементов. Была предусмотрена возможность калибровки всех детекторов как на трассе перелета Земля — Луна, так и после посадки на лунную поверхность.

Для проверки работоспособности всего прибора один из детекторов выполнял контрольную функцию. Он не имел входных окон для попадания в него излучения, в то время как внутри него был помещен радиоактивный источник и образец земного грунта известного химического состава, постоянно облучавшийся этим источником. Таким образом, спектр, даваемый этим детектором, был заранее известен и постоянно контролировался. В результате можно было делать выводы о работоспособности всей системы детекторов в целом, а также об исправности радиотракта (при работе блока детекторы включались в работу поочередно).

Установке выносного блока на «Луноходе-2» предшествовали обширные лабораторные исследования. С помощью летного экземпляра выносного блока были изучены спектры флуоресцентного излучения большого числа земных минералов известного химического состава. Измерения проводились в большой вакуумной камере (рис. 11) в условиях реальной геометрии космического эксперимента. Исследовалась зависимость полученных результатов от степени измельчения грунта, плотности его насыпания, расстояния блока над поверхностью грунта и т. д. В результате было получено большое число спектров грунтов известного состава (см. рис. 2), знание которых было необходимо при обработке результатов, полученных во время работы «Лунохода-2», с целью определения абсолютных концентраций элементов в лунном грунте.