在有限运力下筹备火星飞越
1962年11月，美国国家航空航天局批准实施“水手火星1964”项目，准备发射两艘探测器飞越火星。由于半人马座上面级的研制进度延误，方案转而采用较轻、适配阿特拉斯—阿金纳火箭的探测器，不再携带早期设想中的着陆装置。水手3号是这对飞船中首先升空的一艘。
项目由加州理工学院喷气推进实验室在帕萨迪纳承担管理、航天器和飞行控制等工作，D·施奈德曼担任项目经理；刘易斯研究中心负责运载火箭部分。科学目标是拍摄火星表面，并测量行星附近及巡航途中的空间环境。实现这些目标，需要探测器在远离地球后连续工作数月。
太阳能帆板和保护罩的联系
水手3号质量约261千克，装有成像系统、宇宙尘探测器、宇宙射线望远镜、电离室、氦磁强计、俘获辐射探测器和太阳等离子体探针。它的摄影任务原拟在约八个月航行后进行；这些载荷的配置说明的是预定能力，并不表示已经取得火星数据。
发射时，航天器被整流罩包住，以抵御上升阶段的气流并维持受控环境。四块矩形太阳能帆板和上部天线改变了外形布局，旧水手方案的罩体不再适用。新方案采用玻璃纤维蜂窝结构，预定整体向前脱离；罩体若不能清除，折叠的帆板便无法正常展开，后续供电和姿态控制都将受影响。
1964年11月5日的升空与异常
水手3号于1964年11月5日19时22分格林尼治时间，从肯尼迪角第13号发射台升空，使用阿特拉斯D／阿金纳D组合。阿金纳继电器需要复测，使原定前一天的发射延后；当天又经历供电中断及跟踪设备问题等倒计时暂停。
升空后，地面陆续收到跟踪和遥测信号，但航天器一直依靠蓄电池供电，没有太阳能帆板发电的迹象。分析还发现，阿金纳第二次点火后的速度不足。罩体未能完全脱离所带来的额外质量，使探测器没有进入预定火星转移轨道，最后进入绕太阳运行的轨道。
八个多小时里的遥控抢救
控制人员试图延长剩余电力的使用时间。他们发出关闭陀螺仪及科学仪器等指令，并安排一次可能使探测器挣脱罩体的机动。澳大利亚伍默拉站的指令设备发生故障，相关程序未能完成，随后改由南非约翰内斯堡站继续发送指令。
第二次机动指令虽已发送并存入飞船，预定动作开始前遥测就停止了，执行结果无法确认。飞行约8小时43分后，电池耗尽，最后信号接收已是格林尼治时间11月6日凌晨4时许。此次飞行没有到达火星，留下的主要成果是用于重建故障的工程与跟踪资料。
参考：[1]
热和真空共同作用下的分层
调查组没有把异常简单归结为一条脱罩指令失灵。发射次日，工程人员提出玻璃纤维蜂窝芯与蒙皮分离的可能性，并把试验罩放入热真空环境。即使加热能力尚不足以达到全部预期飞行条件，蒙皮仍发生分层；进一步材料试验支持了类似结构破坏导致飞行故障的判断。
项目报告指出，暴露这一薄弱处需要温度、真空和持续时间共同作用的试验，而此前的鉴定过程没有进行这种组合环境试验。局部粘接缺陷和检验手段不足也增加了风险。报告把这一结论作为可能失效方式及试验流程的教训，而非声称每一项遥测异常都已得到解释。
参考：[1]
为另一艘探测器赶制新罩体
刘易斯研究中心、洛克希德导弹与空间公司和喷气推进实验室组成联合团队，转向全金属罩体。替代件在首飞失败后17天内送抵肯尼迪角，另一个罩体用于结构和热载荷下的分离试验。喷气推进实验室同时准备备用设计，以应对紧迫的发射窗口。
11月28日，采用新罩体的水手4号成功发射，并在次年飞越火星、传回照片。水手3号本身的行星观测目标落空，却通过早期遥测、地面复现和硬件改造，影响了同一项目的第二次发射；两艘飞船的观测成果应分别归属。