1959年9月14日，月球2号实现了月表的硬着陆，成功迈出了苏联探月的第一步。虽然这第一步迈得十分艰难，但还是获得了令人满意的成果，另一方面，身经百战的8K72E火箭，在一次次失败中，也通过多次改进，可靠性大大提升，为进一步的探月任务，提供了有力保障。而根据原定计划，苏联探月的下一步，就是对人类从来没有见过的月球背面进行拍照。表面看起来，这项任务并不复杂，让探测器带一部华为手机飞过去就行了，但这毕竟是60多年前，作为先驱者的苏联，没有任何可供借鉴的成功经验，一切都要从零开始。
这其中最重要的任务，就是换一个探测器。E-1的构造十分简陋，只能搭载一些简单的探测仪器，而且它也无法进行复杂的变轨操作，砸向月球没问题，绕到月球背面那就勉为其难了。于是，马克西莫夫拿出了自己的第二件作品——E-2月球探测器。相比于E-1，E-2的构造要更为复杂，而且全身上下布满了太阳能电池板，以保证各种高耗能仪器的运行。具体来看，E-2主要搭载三大核心设备：摄像系统、定向系统，以及图像传输系统。不过事实上，第一实验设计局也只能给出设计方案，具体的设备，它一个也搞不定，那就只好向兄弟院所寻求帮助。
首先，被称为电视科学研究所的第380研究所，帮助科罗廖夫搞定了摄像系统，这还比较简单，难的是定向系统，当时考虑到难度确实太大，所以苏联放弃了绕月飞行的方案，而是选择让探测器绕到月球背面，完成拍摄任务后，就直接顺路返回地球，然后在返回过程中，将图片转成信号传回地面。这么做难度降低，但对定向系统，要求非常高，拍摄的时候，摄像头要正好对准月球背面，传回数据的时候，天线也要正好对准地球，而且是要对准苏联，你对准美国那是没有用的，万幸的是，苏联面积比较大。另外，在探测器开始拍摄时，月球背面也需要正好被太阳光照亮，而且在整个任务中，探测器只会绕过月球背面一次，这就要求拍摄过程必须一气呵成，不能有丝毫的运行误差。为了满足如此高标准的要求，科罗廖夫亲自出马求助自己的老朋友——数学家克尔德什，从他所在的应用数学研究所，挖来了控制工程专家鲍里斯·劳申巴赫，由劳申巴赫组织一个队伍，为探测器设计一套定向系统。最后劳申巴赫不负众望，它给探测器配备了一套氮气推力装置，用来控制探测器的姿态，同时还搞了一套传感器，以保证探测器相对地球、月球和太阳的方向定位。一旦探测器的运行出现偏差，推力装置就会立即启动，把探测器推回到预定方向。可以说在当时，这套系统有着划时代的意义，堪称黑科技，这也为苏联日后的载人航天，打下了坚实基础。
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E-2任务路线
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劳申巴赫
拍摄之后，就是要把图像精确无误的传回地面，这就需要一套可靠的无线电传输设备。为此，科罗廖夫又联系了专门研究无线电技术的第885研究所，最后，885研究所的副总设计尤金·波库斯拉夫斯基，采用当时新兴的晶体管技术，研制了一套图像传输设备，当探测器返回地球时，这套系统会对拍摄的图片进行扫描，然后将其转换成无线电信号。
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波库斯拉夫斯基
妥了三大核心器件搞定之后，接下来就是把它们整合到E-2探测器上，结果马克西莫夫发现，如果继续采用E-2的设计方案，这些东西根本安不上，没办法，只能继续改动，于是他又设计出了E-2的升级版——E-2A。没过多久，第一款E-2A型月球探测器——E-2A.1就装配完毕。事实上，当时的月球2号还没有发射，而就在月球2号还在调试的时候，这枚全新的E-2A型月球探测器，就被运到了拜科努尔发射场，计划发射时间是1959年9月14日。但昨天说到，E-1系列的发射那是一波三折，直到9月12号，月球2号才发射升空，所以不得已之下，E-2A的发射时间也得往后拖，最后确定为10月4日。
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E-2A
与E-1发射的好事多磨不同的是，E-2A.1的发射进行得异常顺利，苏联这下确实是人品大爆发，当然了哪有什么人品，不过是所谓的“失败是成功之母”。火箭运行非常理想，成功将探测器送入奔月轨道，在此之后，虽然也遇到了一些小问题，但在地面控制中心的努力下，全都一一克服。10月7日凌晨，E-2A.1顺利抵达距离月球背面65200km的高空，此时，月背正好处在阳光的照射之下。然后定向系统开始工作，经过不断地修正之后，探测器的镜头对准月背，启动摄像系统，在几十分钟内，拍下了29张照片。当时苏联人已经等不及了，还没等探测器返回地球，他们就启动了无线电传输系统，希望可以先睹为快，当然由于距离过远，传回来的图像非常模糊，人们只能看到一个黄色的圆形图案，那就只好继续等待。
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月球3号
10月11日，探测器进入返回轨道，10月19日，顺利抵达近地轨道，开始正式向地面传输自己的工作成果。探测器调整方向，把天线对准了苏联的黑海地区，与此同时，苏联当局对黑海地区进行了严格的无线电管制，什么广播全都给我暂停。最后在传回的29张照片中，地面指挥中心成功解析出了17张比较清晰的图片，百万年来，只存在于人类想象中的月球背面，在这一刻，终于呈现在世人面前。
当然抱着现代人看恐龙的态度，这17照片都非常模糊，还没有华为拍得好，只能对月球背面的情况了解个大概。但即便如此，人们还是获得了很多关于月球背面的地理特征。1959年10月27日，通过对照片的进一步修正，苏联制作出了第一张较为清晰的月背照片，并在《真理报》上对外公布，1960年，苏联科学院又根据照片，制作出了第一幅月球背面地图。自然而然的，苏联人也抢先命名了一大批月球背面的地质单元，比如说有齐奥尔科夫斯基陨石坑，还有莫斯科月海。
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第一张月背照片
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第一张月背地图
1963年，苏联官方将E-2A.1正式命名为月球3号，它还有一个更为霸气的名字——自动星际站。从1958年9月到1959年10月，仅仅一年时间，苏联便在探月工程上，取得了一系列开创性的成果，苏联的探测器第一次掠过月球，第一次撞击月面，第一次绕到月球背面。而到此为止，美国也只是完成了最为基础的飞掠月球，毫无疑问，此时的苏联和科罗廖夫麾下的第一实验设计局，就是全人类探索月球的开路先锋，而随着月球3号任务的落幕，苏联探月工程的第一阶段也就此画上句号。
1960年3月，赫鲁晓夫访问法国，也和前一年一样，赫鲁晓夫压抑不住自己的炫耀欲望，他故技重施，在巴黎会见戴高乐时，向其赠送了一个月球3号的小模型，戴高乐看得很认真，若有所思。请看下集。