Установленный на станции комплекс научной аппаратуры предназначался для изучения ультрафиолетовых и инфракрасных спектров лунной поверхности, магнитных свойств околоземного и космического пространства и межпланетной среды, солнечного ветра, космических лучей, микрометеоритов, низкочастотного излучения Галактики.
В соответствии с задачами, поставленными перед космической станцией «Зонд-3», к траектории полета были предъявлены следующие требования.
Для обеспечения нормального функционирования работы бортовой системы астроориентации необходимо было, чтобы максимальное удаление от орбиты Земли в сторону Солнца не превышало 1 миллиона километров, максимальное значение угла Солнце – станция – Земля (ССЗ) после месяца полета в течение последующих шести месяцев не превышало 50 градусов, а расстояние от Земли до станции через 4 – 5 месяцев полета не превышало 40 миллионов километров.
При работе системы ориентации в момент начала съемок значение угла ССЗ не должно было превышать 100 градусов, а значение угла Земля – станция – Луна (ЗСЛ) должно было быть больше 80 градусов, спустя 30 минут после начала фотографирования значение угла ЗСЛ должно было превосходить 35 градусов.
Для работы фототелевизионного устройства нужно было обеспечить пролет станции в непосредственной близости от Луны с целью фотографирования той части ее обратной стороны, изображение которой не было получено станцией «Луна-3». При этом фотографируемая часть Луны должна была освещаться косыми лучами Солнца.
Расстояние от космической станции до поверхности Луны во время фотографирования должно было быть не более 25 000 километров.
При подаче команды на начало фотографирования и для контроля работы фототелевизионного устройства с наземного пункта связи траектория должна была обеспечить радиовидимость станции с этого пункта не позднее чем за 30 минут до начала и в течение всего сеанса фотографирования.
Выполнение всех этих условий накладывало ограничения на возможные даты запуска станции; эти требования могли быть выполнены при пусках в течение нескольких соседних дат каждого месяца.
Условия радиовидимости станции с наземного пункта связи при фотографировании с учетом требований по величинам удаления станции обусловили выбор траектории со временем полета до Луны, составляющим примерно полтора суток. При этом так называемая полутора-суточная траектория обеспечивала выведение заданной массы.
В связи с тем, что проведение коррекции траектории, т. е. ликвидация отклонений действительной траектории от расчетной, получающихся вследствие неточности выведения, на участке полета до Луны не предусматривалась, минимальное расстояние пролета у Луны выбиралось из условия удовлетворения требований, необходимых при фотографировании с учетом возможных разбросов. Пуск автоматической станции в сторону Луны состоялся 18 июля 1965 года.
Выведение станции на заданную траекторию осуществлялось в два этапа. Сначала ракета-носитель вывела станцию на промежуточную орбиту искусственного спутника Земли. Затем с орбиты спутника стартовал разгонный блок со станцией, который обеспечил ее выведение на гелиоцентрическую орбиту с таким расчетом, чтобы станция прошла в непосредственной близости от Луны с целью фотографирования ее поверхности.
Скорость, достигнутая в конце работы разгонного блока, позволила станции после пролета Луны покинуть сферу действия Земли и перейти на орбиту искусственной планеты, обращающейся вокруг Солнца.
Сразу после отделения от разгонного блока начался сеанс радиосвязи с автоматической станцией. Траекторные измерения и передача телеметрической информации о работе бортовых систем и данных научных измерений производились систематически в течение всего времени полета станции «Зонд-3».
Уже в первом сеансе после отделения от разгонного блока станция была ориентирована таким образом, чтобы элементы солнечных батарей освещались прямыми лучами Солнца.
В таком режиме – «режиме постоянной солнечной ориентации» – станция находилась в течение всего времени полета, кроме сеансов фотографирования и передачи снимков.
При подлете к Луне, после того как была выдана команда на проведение сеанса фотографирования Луны, система постоянной солнечной ориентации отключилась и началась ориентация автоматической станции на Луну.