Четвёртая ступень ракеты также завелась благополучно, унося станцию, получившую официальное имя «Зонд-2», к Луне. Она отсняла районы обычно невидимой стороны Луны, не попавшие в объектив станции «Луна-3» в 1959-м году. Получившиеся снимки были ещё более высокого качества. Помимо фотоустановки, зонд нёс на борту магнитометр, ультрафиолетовый и инфракрасный спектрографы, датчики излучения и другое оборудование. В результате полёта станции «Зонд-2» были получены ценные научные результаты.
Второй задачей, выполняемой АМС, был сброс и отработка посадки спускаемого аппарата, но не на Луну, а на Землю. Спускаемый аппарат впервые разрабатывала группа конструкторов из лавочкинского ОКБ-301 под руководством Георгия Николаевича Бабакина. Королёв передал им предварительные проработки Максимова, а Мстислав Всеволодович Келдыш составил расчётную модель атмосферы Марса.
Бабакин, просмотрев формулы и результаты, не скрывал своих сомнений в их правильности. Многие тогда считали, что Марс — почти такой же как Земля, только более пустынный из-за холода. Тогда Сергей Павлович взял красный карандаш и написал на первой странице методики Келдыша: «Атмосфера у поверхности Марса — как земная на высоте 35 километров. Королёв». И расписался, взяв на себя ответственность за возможные ошибки и неудачи.
Георгий Николаевич удивлённо приподнял бровь, но методику взял, и рассчитывал спускаемый аппарат по ней. Торможение со второй космической скорости предполагалось при помощи аэродинамического экрана конической формы, напоминающего вьетнамскую шляпу. Затем, по достижению безопасной скорости, выбрасывался сначала один тормозной парашют, потом, после его отстрела — второй, большей площади, затем — основной, на котором производилось снижение. Во время снижения надувались шарообразные баллоны-амортизаторы, на которых спускаемый аппарат должен был мягко приземлиться.
Хорошо продуманная схема и грамотная её реализация высокопрофессиональными специалистами лавочкинского ОКБ сделали своё дело. Спускаемый аппарат вошёл в атмосферу под расчётным углом, что само по себе уже обеспечивало минимум половину успеха, отскочил от неё, как отскакивает от воды пущенный «блинчиком» плоский камень, снова вошёл, и начал торможение при помощи абляционного тормозного щита. После его отстрела один за другим вышли сначала первый, потом второй парашюты, и наконец, спускаемый аппарат закачался под основным куполом. Единственное изменение — его площадь была рассчитана на спуск в более плотной земной атмосфере, а разницу в массе компенсировал балласт.
Посадка предполагалась на воду, в океане, для чего в район спуска были высланы несколько дирижаблей. Чтобы спускаемый аппарат не утонул, азот из амортизирующих баллонов после посадки не выпускали. Эту часть перед стартом отрабатывали иначе — запуская спускаемый аппарат по проволоке между двумя вышками и сбрасывая его с небольшой высоты, чтобы сымитировать скорость снижения на парашюте.
Запуск станции вокруг Луны, с последующей посадкой спускаемого аппарата на Землю, показал, что основные принятые технические решения были правильными. Посадка на Марс «с ходу» была теоретически возможна. Куда сложнее было вывести станцию к Марсу, так, чтобы она оказалась в правильной позиции для последующего сброса спускаемого аппарата, а если рассчитать маневр торможения правильно — то и для выхода на эллиптическую орбиту вокруг Марса.
В «той» истории точные данные по массе и орбите Марса не были известны до начала 70-х. Сейчас же Королёв имел полную информацию из «электронной энциклопедии», что значительно упрощало задачу прицеливания. Сергей Павлович потратил немало времени, изучая информацию из ноутбука о Луне, Марсе, Венере и других планетах. Казалось бы, имея её, какой смысл был посылать дорогостоящие аппараты? Но всегда оставался шанс найти что-то новое, что не увидели аппараты там, в будущем. Да и опубликовать присланные материалы не было никакой возможности, а сам факт отправки АМС мог бы помочь эти данные «легализовать». Впрочем, Королёв с куда большим удовлетворением получил бы пусть даже меньший объём информации, но — в результате работы сконструированных под его руководством аппаратов, чем в качестве «подарка от далёких потомков».
Прежде, чем посылать АМС к Марсу, следовало научиться отправлять собранную информацию с большого расстояния и принимать её на Земле. Для этого Келдыш и Королёв задумали ещё один эксперимент, решив отправить АМС мимо Луны, с последующим выходом на гелиоцентрическую орбиту. Станция должна была сделать несколько снимков Луны, а затем, постепенно удаляясь всё дальше, передавать их по радио на Землю. Определив расстояние, с которого снимки ещё можно уверенно принимать на Земле, можно было затем модифицировать радиоаппаратуру, добиваясь устойчивого приёма от орбиты Марса. Для этого гелиоцентрическую орбиту станции выбрали такой, чтобы она пересекала орбиту Марса.
