La sonda mars 3 fue lanzada hacia Marte -el 28 de mayo de 1971- impulsada por la última etapa del cohete lanzador llamada Tyazheliy Sputnik (71-049C). Se realizó una maniobra de corrección de la trayectoria el día 8 de junio. El módulo orbital soltó el módulo de descenso (71-049F) unas 4 horas y 35 minutos antes de llegar a Marte el día 2 de diciembre de 1971 a las 09:14 GMT.
El módulo de descenso entró en la atmósfera marciana a una velocidad de 5,7 kilómetros por segundo. Usando el frenado aerodinámico, los paracaídas y los retrocohetes, la sonda de descenso logró un aterrizaje suave a 45ºS y 158ºO y comenzó sus operaciones. Sin embargo, tras 20 segundos de trabajo los instrumentos se pararon por razones desconocidas, quizás como resultado de la masiva tormenta de polvo que estaba teniendo lugar en el momento del aterrizaje.
Mars 3 - Primer vehículo que aterriza en Marte
Mientras tanto el orbitador había sufrido una pérdida parcial de combustible y no tuvo el suficiente como para colocarse en la órbita planeada de 25 horas. El motor realizó un encendido que quedó truncado y colocó a la mars 3 en una órbita de 12 días y 19 horas de duración, con una inclinación de 48.9º.
Los orbitadores Marsnik 2 y mars 3 enviaron grandes cantidades de datos a nuestro planeta entre diciembre de 1971 y marzo de 1972, aunque las transmisiones continuaron hasta el mes de agosto. Se anunció que ambas sondas finalizaron sus operaciones el 22 de agosto de 1.972, tras completar la sonda Marsnik 2 un total de 362 órbitas a Marte y un total de 20 órbitas la sonda mars 3. En total realizaron 60 fotografías.
Las imágenes obtenidas junto con los datos revelaron montañas de 22 kilómetros de altura, la presencia de oxígeno e hidrógeno atómico en la atmósfera superior, temperaturas en la superficie entre los -110ºC y los +13ºC, presiones superficiales de entre 5,5 y 6 milibares, concentraciones de vapor de agua 5000 veces inferiores a las de la Tierra. También se detectó que la ionosfera marciana comenzaba entre los 80 y 110 kilómetros de altura y que se hallaban presentes granos de las tormentas de polvo hasta los 7 kilómetros de altura. Los datos permitieron la realización de mapas de relieve de la superficie, así como valiosa información sobre la gravedad y campos magnéticos de Marte.
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