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.
Ориентация осуществлялась с помощью двух оптических датчиков – «солнечного» и «планетного» (оптическая ось последнего параллельна оптической оси фотоаппарата.
С помощью «планетного» датчика станция в течение всего сеанса фотографирования была ориентирована на освещенную часть диска Луны. Чтобы охватить всю освещенную поверхность Луны или хотя бы большую ее часть, осуществлялось сканирование станции с угловой скоростью примерно 0,1 градуса в секунду; при этом ось фотоаппарата двигалась от края освещенной части диска через ее центр.
Сеанс фотографирования начался 20 июля и после окончания экспонирования кадров (через 4 часа 24 минуты) автоматически прекратился; станция возвратилась в режим «постоянной солнечной ориентации».
В момент начала фотографирования станция находилась на расстоянии 11 600 километров от Луны, в момент окончания фотографирования – на расстоянии 10 000 километров.
Передача полученных на борту изображений Луны началась 29 июля с расстояния 2,2 миллиона километров и осуществлялась в сеансах связи через остронаправленную параболическую антенну.
Ориентация на Солнце и Землю поддерживалась системой управления в течение всего периода сеанса связи на параболической антенне. По окончании сеанса связи станция возвращалась к постоянной солнечной ориентации.
Радиосвязь с автоматической межпланетной станцией «Зонд-3» поддерживалась в течение восьми месяцев.
В марте 1966 года программа полета была исчерпана, и связь со станцией было решено прекратить. К этому времени станция удалилась от Земли на расстояние свыше 150 миллионов километров.
Мягкая посадка космического аппарата на лунную поверхность являлась принципиально новой технической проблемой, потребовавшей решения целого ряда вопросов как при проектировании самой станции, так и при обеспечении высоких точностей ее выведения для осуществления посадки в заданном районе лунной поверхности.
Задача осложнялась отсутствием сведений о свойствах лунной поверхности. Неопределенность в отношении физико-механических свойств лунного грунта обусловила проектирование системы мягкой посадки с учетом возможности посадки аппарата на различные по своим свойствам породы – от скальных до пылевидных.