Следовало закрепить успех, однако лунные трассы вновь продемонстрировали, сколь несовершенна создаваемая людьми космическая техника.
Автоматическая станция "Е-8-5" № 407, получившая официальное название "Луна-18", была запущена с космодрома Байконур 2 сентября 1971 года. На трассе перелета к Луне 4 и 6 сентября были выполнены коррекции траектории.
При подлете к Луне 7 сентября 1971 года "Луна-18" вышла на орбиту искусственного спутника Луны. Однако из-за методической ошибки включение тормозной двигательной установки прошло на 15 секунд раньше расчетного времени, в результате чего параметры окололунной орбиты после первого торможения сильно отличались от расчетных.
Для обеспечения посадки станции в расчетный район Луны должны были быть проведены две коррекции, причем после второй коррекции высота орбиты в периселении должна была составлять 16–17 км. С целью экономии топлива было принято решение ограничиться одной коррекцией орбиты, которая была проведена вне зоны радиовидимости. Положение осложнилось тем, что в результате включения двигателя вместо расчетных высот 16,9 км и 123,9 км — фактически были получены 93,4 км и 180,3 км. С целью исправления траектории в зоне радиовидимости была проведена дополнительная коррекция
11 сентября 1971 года была включена двигательная установка для схода с орбиты. Однако в результате ненормальной работы двигателя стабилизации получился перерасход горючего, и станция упала на Луну.
Несмотря на провал очередной миссии, 14 февраля 1972 года была запущена автоматическая станция "Луна-20" ("Е-8-5" № 408). 18 февраля она была переведена на круговую селеноцентрическую орбиту, а 19 августа на эллиптическую орбиту с максимальной высотой над поверхностью Луны 100 км и минимальной высотой 21 км.
21 февраля автоматическая станция "Луна-20" совершила мягкую посадку в точке с координатами 3°32′ с. ш. 56°33′ в. д., на участке лунного материка, примыкающего к северо-восточной оконечности Моря Изобилия.
После посадки было определено положение станции на лунной поверхности, а с помощью телефотометров получены изображения лунной поверхности, по которым ученые на Земле выбрали место взятия образцов лунной породы. По команде было включено фунтозаборное устройство, и начались операции по забору фунта. В процессе забора фунта дважды срабатывал автомат защиты по току, бурение приостанавливалось, и его снова возобновляли по командам с Земли.
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.
