Дни, пока станция летела к Луне, тянулись мучительно медленно. Сеансы связи проводились по графику, между ними руководителям полёта удавалось немного отдохнуть. Очередной сеанс состоялся 6 сентября в 16.00. После расшифровки телеметрии убедились, что на борту станции всё в порядке.

Ориентация станции объективом фотоаппарата на обратную сторону Луны и последующее включение фототелевизионной установки по плану полёта состоялось рано утром 7 сентября. Автономная система ориентации «Чайка» конструкции Бориса Викторовича Раушенбаха имела в своем составе восемь датчиков солнечного света — по четыре на днище станции и вокруг объектива окна объективов фотокамер, три гироскопических датчика-стабилизатора, непрерывно измеряющих угловую скорость «Луны-3» в трех плоскостях, и один датчик лунного света, находившийся между объективами фотокамер.

Информацию с этих датчиков получала и обрабатывала БЦВМ конструкции Староса на процессоре 4004. (АИ, в реальной истории использовался «электромеханический компьютер») Уравнения для её программы управления ориентацией были разработаны коллективом Раушенбаха. Эта же БЦВМ управляла системой ориентации. (На реальной «Луне-3» было восемь реактивных микродвигателей. Вместо топлива в них использовался сжатый азот, хранящийся в специальном баке под давлением 150 атмосфер и подающийся в сопла через редуктор под давлением четыре атмосферы.) БЦВМ одновременно выполняла функцию программно-временного устройства, в котором была заложена циклограмма всего полета «Луны-3».

Утром 7 сентября, через трое суток после успешного старта, станция «Луна-3» оказалась в заданной точке траектории ее движения на расстоянии 65200 километров от обратной стороны Луны. АМС летела по очень сложной траектории. Стартовав из северного полушария Земли, она «поднырнула» под Луну, пройдя в районе её Южного полюса, пролетела по меридиональному направлению, и снова вышла к Земле со стороны Северного полушария, чтобы передать по радио снятые изображения. При этом Луна своей гравитацией воздействовала на станцию, исказив её орбиту, и развернув плоскость наклонения. Все детали орбитального маневра были рассчитаны в Математическом институте им. Стеклова под руководством академика Келдыша.

Местоположение станции для съемки было выбрано не случайно. Она размещалась так, что Луна перед ней и Солнце позади неё находились примерно на одной прямой, а Земля, свет которой мог помешать системе ориентации, оказывалась далеко в стороне. По условиям съемки, «Луна-3» должна была захватить в объективы небольшой участок видимой с Земли поверхности нашего спутника, чтобы ученые смогли выполнить топографическую привязку местности к известным ориентирам.

Корпус станции при подлете к точке съемки был стабилизирован относительно вращающегося ротора электрогенератора. (В реальной истории станция вращалась вокруг ее центра масс с периодом 165 секунд). Электроприводы системы ориентации развернули её вокруг вращающегося ротора генератора приблизительно нацелив объективы фотоустановки на Луну. Этот маневр занял около десяти минут.

После этого в дело вступили солнечные датчики на днище «Луны-3» и вокруг ее объективов. Компьютер, начал подавать управление приводам системы ориентации таким образом, чтобы максимизировать сигналы датчиков на днище, и одновременно минимизировать сигналы датчиков возле объективов. Этот маневр, длившийся около тридцати минут, развернул станцию объективом в сторону Луны, а днищем — к Солнцу.

Нужная ориентация корпуса была получена и постоянно корректировалась с учетом траектории движения центра масс станции. Точно нацелиться на Луну объективам фотоаппаратов позволила информация от датчика, улавливавшего лунный свет. Максимизируя его сигналы, компьютер скорректировал положение люка, скрывающего фотоаппаратуру «Луны-3» с погрешностью в 0,5 градуса.

Кроме того, непосредственно перед съемкой «Чайка» кратковременно закрутила станцию вокруг оси съемки, чтобы солнечные лучи равномерно прогрели её корпус, и процессы химической обработки полученных снимков прошли без проблем.

Первая в истории «выездная межпланетная фотосессия» продолжалась 40 минут, затем началась проявка и фиксация плёнки прямо на орбите. Проявленная и высохшая плёнка подавалась в сканирующее устройство, где покадрово считывалась электронно-лучевой трубкой, после чего сигнал передавался на Землю по радио.

Результата на Земле ждали с огромным нетерпением, но передача началась лишь после того, как станция подлетела на 50 тысяч километров. Наконец, с приемного пункта доложили:

— Дальность — пятьдесят тысяч. Сигнал устойчивый. Есть прием!

Прошла команда на воспроизведение изображения. Началась передача. На бумаге строчка за строчкой стало появляться изображение, пока — серое. Постепенно вырисовывался круг, испещрённый помехами

Королев не выдержал и ворвался в тесную комнатку.

— Ну что там у вас?

— У нас получилось, что Луна круглая, — ответил Черток.

Богуславский вытянул из аппарата распечатанное на термобумаге изображение, показал Королёву и спокойно разорвал. Сергей Павлович даже не возмутился.

— Зачем же так сразу, Евгений Яковлевич? Ведь это первый, понимаешь, первый!

— Плохо, много всякой грязи, — ответил Богуславский. — Сейчас мы уберём помехи и следующие кадры пойдут нормально.

Постепенно на бумаге начали появляться один за другим всё более четкие кадры. Одновременно сигнал записывался на магнитную ленту. Запись решили вести сразу на четыре магнитофона-регистратора, для надёжности (АИ). По окончании записи одну из катушек отправили в Москву самолётом, остальные повезли поездом, опять-таки чтобы подстраховаться. Самолёт долетел до Москвы без происшествий, плёнку на автомобиле тут же отвезли в ИТМиВТ, где записанный сигнал считали и оцифровали.