Эта была исследовательская модель, которую НАСА адаптировало для непилотируемого исследования Луны, и она являлась основным предшественником высадки на поверхность Луны астронавтов «Аполлона». Первым на очереди стоял «Рэйнджер», спроектированный и сконструированный НАСА и Лабораторией реактивного движения Калифорнийского технологического института. Приблизившись к Луне, «Рэйнджер» должен был послать на Землю подробное телевизионное изображение Луны и другую информацию и затем на большой скорости врезаться в ее поверхность. Первые полеты «Рэйнджера» проходили не очень успешно: «Рэйнджер-1» и «Рэйнджер-2», экспериментальные модели, запушенные в 1961 году, оказались без поддержки на низкой околоземной орбите, когда верхние ступени «Аджены» не смогли повторно запуститься, чтобы отправить их в сторону Луны. Не лучше было с «Рэйнджером-3» в начале 1962 года, когда США впервые попытались достичь Луны; двигатели ракет-ускорителей «Атлас-Аджены» действовали слишком долго, и в результате «Рэйнджер» «промахнулся» мимо Луны на целых 32 000 км и закончил свой путь где-то на околосолнечной орбите.
Последовали и другие неудачи, хотя в апреле «Рэйнджер-4» все-таки упал на лунную поверхность; к несчастью, на своем пути он израсходовал запас энергии и не смог отправить на Землю ни изображения, ни информацию. Тем не менее Соединенные Штаты впервые добрались до поверхности Луны на три года позже советской «Луны-2». После того как той же осенью «Рэйнджер-5» опять не смог достичь Луны, пролетев мимо, НАСА высказало серьезную озабоченность по поводу способности Лаборатории осуществить полет «Рэйнджера». В результате расследования причин неудач были сделаны важные изменения, которые сократили задачи каждого полета. Какое-то время в НАСА были озабочены тем, что «прилунение» «Аполлона» может быть отложено из-за того, что «Рэйнджеры» не смогли отправить изображения лунной поверхности на месте возможной посадки корабля. Наконец в июле 1964 года пришел успех: «Рэйнджер-7» послал на Землю более 4000 четких впечатляющих изображений и видеозапись, прежде чем врезаться в северный край кратера Моря Облаков. Последнее изображение, сделанное с высоты 450 м, позволяет увидеть мельчайшие кратеры диаметром около одного метра. В течение марта 1965 года три дополнительных «Рэйнджера» во время своих безупречных полетов отправили на Землю еще тысячи фотографий. Репутация Лаборатории была восстановлена, и данные, посланные «Рэйнджерами» на Землю, будут использоваться при выборе места посадки «Сюрвейера», следующего аппарата в ходе рекогносцировки поверхности Луны.
«Сюрвейер» представлял собой заполненную приборами треугольную алюминиевую конструкцию на трех ногах массой 270 кг. В его нижней части располагался двигатель, который работал на твердом топливе и должен был обеспечить мягкую посадку на Луну. Достигнув цели, «Сюрвейер» использовал сложную систему формирования изображения для передачи на Землю цветных фотографий лунного пейзажа крупным планом. Эта программа была также удачно выполнена Лабораторией, хотя ее разработка задерживалась из-за множества проблем, с которыми сталкивался «Рэйнджер». В отличие от «Рэйнджера», «Сюрвейер» добился внушительного успеха во время своего первого полета, и это достижение выглядело еще более впечатляющим на фоне отсрочек и сложностей, связанных с ракетой-носителем «Атлас-Кентавр». (Верхняя ступень «Кентавра» приводилась в действие новыми мощными двигателями, которые работали на жидком кислороде и жидком водороде, создавая большую грузоподъемность, но эта разработка на годы отставала от графика. Параллельная разработка новой ракеты-носителя и нового лунного зонда, которые так и не были опробованы, значительно увеличивали вероятность неудачи.) «Сюрвейер-1» 2 июня 1966 года сел на поверхность Океана Бурь и за шесть недель отправил на Землю более 11 000 высококачественных цветных фотографий, а также сейсмологические данные и другую информацию. На фотографиях, впервые сделанных на другом небесном теле космическим кораблем США, был представлен пустынный пейзаж, покрытый скалами.
Однако американский автоматический зонд был не первым космическим кораблем, совершившим мягкую посадку на Луну или продемонстрировавшим способность космического корабля опуститься на лунную поверхность, не погрузившись в нее. Эта честь досталась Советскому Союзу, когда его «Луна-9» произвела мягкую посадку в том же Море Штормов на четыре месяца раньше, чем «Сюрвейер» США. «Луна-9» раскрыла свои металлические лепестки, чтобы занять устойчивое положение на лунной поверхности, и вскоре начала передавать целую серию телевизионных изображений, которые были собраны вместе и создали панорамное изображение лунной поверхности, включая линию горизонта, находящуюся на расстоянии около километра. Однако изображения, полученные с помощью «Сюрвейера-1», были значительно лучшего качества; кроме того, по крайней мере пять предыдущих попыток высадиться на Луне, предпринятых Советским Союзом с апреля 1963 года до конца 1965 года, потерпели неудачу. В каждом случае космический корабль либо разбивался о поверхность, приближаясь к ней на высокой скорости, либо пролетал мимо Луны. «Сюрвейер-2» также разбился о лунную поверхность, но «Сюрвейер-3» работал безотказно и 19 апреля 1967 года сел на край низкого кратера также в районе Моря Штормов. Он отправил на Землю более 6300 фотографий и пользовался своей автоматической рукой, разрывая лунную поверхность и исследуя ее консистенцию. Достижения «Сюрвейера-3» будут способствовать выбору места посадки «Аполлона-12» в ноябре 1969 года. Еще три «Сюрвейера» превосходно выполнили свои задачи, прежде чем в январе 1968 года был совершен последний полет, который продемонстрировал возможность высадки человека на поверхность Луны и проведения им исследований.
Последним участником исследовательской триады, предшествовавшей полету «Аполлона», был автоматический космический зонд НАСА «Лунный Орбитер», созданный в исследовательском центре Лэнгли. Целью его полета было сфотографировать Луну с такой точностью, чтобы можно было подготовить лунные карты и выбрать самые выгодные места посадки будущих «Аполлонов». Пять «Лунных Орбитеров», каждый массой 360 кг, были запущены за период с августа 1966 по август 1967 года. Все запуски прошли весьма успешно, и каждый аппарат послал на Землю по 200 изображений. Помимо того что были составлены карты почти всей лунной поверхности, с помощью «Лунных Орбитеров» были также составлены карты гравитационных полей Луны и получены данные об уровнях радиации на Луне и вокруг нее. Как только зонд оказывался на окололунной орбите, он использовал ракету управления скоростью, чтобы скорректировать свои орбитальные параметры, позволяющие ему, например, ближе подойти к лунной поверхности для более детальной фотосъемки.
Компания Eastman Kodak, гигант-родоначальник американской фотографии, разработал для «Лунного Орбитера» специальную фотокамеру, которая позволила получить первые, нечеткие фотографии Луны, когда он облетал ее со скоростью несколько тысяч километров в час. Сложная система следила за высотой и скоростью корабля, когда он находился над лунной поверхностью, устанавливая при каждом фотографировании пленку так, чтобы ввести поправку на движение камеры. Система «Кодак» позволила получить фотографии превосходного качества, с разрешением до одного метра, что весьма способствовало выбору мест посадки «Аполлона». Полученные фотографии были настолько хороши, что начиная с 1968 года Советский Союз использовал их для составления карты мест посадки для своих возможных пилотируемых полетов, так как они были лучше сделанных их собственным космическим кораблем. Некоторые чиновники НАСА возражали против того, чтобы фотоснимки, полученные с помощью «Рэйнджера», «Сюрвейера» и «Лунного Орбитера», стали общедоступными, опасаясь, что эти изображения смогут помочь Советскому Союзу полететь на Луну. Но их проигнорировали, так как в 1958 году законодательство, разработанное при создании НАСА, требовало «самого широкого распространения информации на благо всего человечества».
