Главный конструктор Сергей Павлович Королев собирался установить еще несколько космических рекордов, переделывая «Востоки» в специализированные корабли. В ноябре 1965 года на «Восходе-3» должны были отправиться два космонавта в полет продолжительностью пятнадцать суток; при этом предполагалось, что они проведут эксперимент по созданию искусственной силы тяжести за счет раскручивания корабля и третьей ступени ракеты-носителя вокруг центра масс. В начале 1966 года на «Восходе-4» один космонавт установил бы рекорд пребывания на орбите, оставаясь там двадцать пять суток. В ходе длительных полетов «Восхода-5» и «Восхода-6», запланированных на май-июнь 1966 года, предполагалось совершить выходы в открытый космос и даже испытать реактивный аппарат для индивидуального перемещения космонавта.

Однако из-за задержек в производстве кораблей планы были сдвинуты, а неожиданная смерть Королева во время рядовой хирургической операции поставила крест на всей программе «Восход». В результате стартовал только еще один корабль серии 3КВ под названием «Космос-110»: 22 февраля 1966 года в нем на орбиту отправились подопытные собаки Уголек и Ветерок; продолжительность полета, проведенного в интересах космической медицины, составила двадцать два дня.

На этом завершился первый этап в освоении внеземного пространства, в ходе которого советская ракетно-космическая отрасль демонстрировала уверенное превосходство за счет более мощных ракет. 1966 год стал рубежным: американские конкуренты не только догнали, но и перегнали советских специалистов, поставив своей целью достижение Луны.

Успешные запуски первых спутников, первых межпланетных аппаратов и космических кораблей, проведенные советскими ракетчиками, больно ударили по самолюбию американцев. 25 мая 1961 года, через шесть недель после триумфального полета Юрия Гагарина, президент Джон Ф. Кеннеди выступил с речью, в которой пообещал, что до конца десятилетия американец высадится на Луне. Потеряв значимые исторические приоритеты на начальном этапе космической «гонки», США вознамерились вернуть себе лидерство на следующем.

Надо сказать, что главной причиной отставания на тот момент была недооценка значения тяжелых баллистических ракет. Конечно, американские специалисты изучили опыт немецких инженеров, построивших во время войны ракеты А-4 (V-2), но не придали им серьезного развития, полагая, что в условиях глобальной войны достаточно будет стратегических бомбардировщиков. Конечно, команда Вернера фон Брауна, вывезенная из Германии, продолжала создавать баллистические ракеты в интересах армии, но их характеристик не хватало для осуществления космических полетов. Когда ракету «Редстоун», построенную на основе немецких V-2, приспособили для запуска корабля «Меркурий», она смогла поднять его только на суборбитальную высоту.

В то же время расчеты показывали, что для полета на Луну нужен корабль массой 180 тонн. Ракета-носитель на жидком топливе для доставки подобного корабля на околоземную орбиту получалась такой огромной, что проблематично было бы ее компоновать и обслуживать. Спасительной оказалась идея орбитальной станции: если корабль нельзя доставить на орбиту целиком, его можно разделить на два модуля поменьше, запустить их по отдельности, а затем состыковать и отправить к Луне. Но в таком случае для одной экспедиции нужно две большие ракеты с грузоподъемностью свыше 100 тонн. Их построить, безусловно, легче, но придется готовить к запуску две ракеты практически одновременно, обеспечивать маневрирование тяжелых блоков в космосе и молиться, чтобы все прошло без сбоев, ведь надежность выполнения миссии при такой схеме заметно снижается. Сторонники прямого полета и оппоненты, стоявшие за сборку корабля на околоземной орбите, долго не могли прийти к согласию. Победила третья и весьма оригинальная концепция, которую придумал молодой инженер Джон Хуболт и которая летом 1962 года была принята в качестве основы при реализации программы «Аполлон» (Apollo). Инженер предложил отправлять корабль к Луне целиком и разделять его на селеноцентрической орбите. При этом лунный модуль (Lunar Module, LM) с двумя астронавтами совершал посадку, а командно-служебный (Command Service Module, CSM) с одним астронавтом оставался на орбите, дожидаясь возвращения лунного. Новая схема тоже казалась технически сложной, но за ее счет вдвое снижалась требуемая грузоподъемность ракеты, позволяя осуществить экспедицию за один запуск.