Первую станцию, «Марс-1960а», без спускаемого аппарата, но с «медным ведром Расплетина», отправили в полёт в начале мая. Запуск произошёл не в период «астрономического окна», выпадавшего на конец сентября, а заметно раньше. Название станции открыто не называли, для всех она ушла в полёт под порядковым номером «Зонд-3». Королёв вообще предлагал всем АМС, строящимся на единой платформе 2МВ, теперь уже больше напоминавшей 3МВ по своей конструкции, давать единое наименование «Зонд», не разделяя их на «Марсы» и «Венеры». Мстислав Всеволодович не соглашался, считая, что конструктивная платформа не является определяющей, в отличие от назначения.
О цели запуска в печати тоже не сообщили ничего конкретного, заявив, что в задачи полёта входит проведение различных исследований в открытом космосе. Ничего не сообщили и о траектории станции. Хотя американские радиолокаторы сопровождали АМС, как минимум, на начальном этапе полёта, сложная и непросчитываемая заранее траектория породила на Западе много слухов и споров.
В итоге специалисты из NASA сошлись на том, что «русские отправили ещё одну станцию к Луне, а потом утратили контроль, и АМС потерялась в межпланетном пространстве». В свою очередь, «конспиролухи» на все лады обсуждали в жёлтой прессе версию, что «красные отправили пилотируемый корабль на Марс». Доводы специалистов, что имеющаяся у СССР ракета физически не способна отправить даже одного человека к Марсу одним пуском, во внимание не принимались.
Тем временем академик Келдыш с Королёвым и Рязанским занимались всесторонним тестированием систем радиосвязи, ориентации, и других служебных систем станции. Это была главная задача запуска, ради которой не пожалели носителя. Королёв, убедившись, что в «той» истории надёжность советских АМС была крайне низкой, решил не допускать подобных провалов. Станцию запустили только после тщательной отработки на стендах, и пробного полёта вокруг Луны. Теперь предстояло проверить работу аппаратуры в длительном полёте.
Во многом помогала более совершенная энергетика станции, позволявшая осуществить более грамотные и технически безопасные решения. Не надеясь только на ещё несовершенные и малоэффективные за пределами земной орбиты солнечные батареи, «Зонд-3» оснастили в дополнение плутониевым РИТЭГом. Заодно «атомная печка» обеспечивала требуемый тепловой режим станции и подогрев воды при приготовлении фотореактивов, хотя и добавила конструктивных сложностей при монтаже фототелевизионной установки — пришлось защищать фотоплёнку от радиоактивной засветки. Станцию оснастили раскрываемыми радиаторами большой площади. Связь станции с Землёй теперь поддерживалась постоянно, а не отдельными сеансами по расписанию.
Тщательная подготовка сделала своё дело. Неприятности по ходу полёта вылезали, но не фатальные. Часть из них побороли за счёт резервирования систем. С остальными пришлось смириться. Так или иначе, станция постоянно оставалась на связи, и поддерживала нужную ориентацию.
После тщательных расчётов траектории, на значительном удалении от Земли, была отдана команда на включение электромагнитного двигателя. Здесь влияние Земли и Луны было сведено к минимуму, и АМС постепенно начала разгоняться. Её положение отслеживали по радиосигналам, пеленгуя их с наземных и корабельных пунктов радионаблюдения. При этом учитывалось и орбитальное перемещение Земли. Также в ходе полёта были проведены несколько коррекций траектории, чтобы более точно вывести станцию к Марсу. Лететь ей предстояло почти год — сильно разгонять станцию не стали, так как в этом случае увеличивались шансы проскочить мимо Марса. Мстислав Всеволодович рассчитывал орбитальный манёвр, который, если его удастся осуществить, вывел бы «Зонд-3» на марсианскую орбиту. Рассчитывали, опять-таки, на расплетинское «медное ведро» и управление от БЦВМ. С техникой начала 60-х «той» истории подобный манёвр был бы невозможен, и максимум, на что можно было рассчитывать — несколько мутноватых снимков, сделанных с пролётной траектории, на расстоянии в несколько десятков тысяч километров от планеты.
С борта станции ежедневно принимали ценные телеметрические данные о поведении её внутренних систем. Для этого «Зонд-3» был оснащён множеством самых различных датчиков, многие из которых специально разрабатывались по заданиям Главкосмоса. Эту информацию тщательно анализировали специалисты, разработчики систем станции. По результатам анализа дорабатывались системы следующей АМС «Зонд-4», старт которой наметили на 26 сентября — в оптимум астрономического окна для 1960 г.
