В орбитальном отсеке находилась научная аппаратура, предназначенная для измерений в межпланетном пространстве, а также для изучения окрестностей Марса и самой планеты с орбиты искусственного спутника: феррозондовый магнитометр; инфракрасный радиометр для получения карты распределения температуры по поверхности Марса; инфракрасный фотометр для изучения рельефа поверхности по измерению количества углекислого газа; оптический прибор для определения содержания паров воды спектральным методом; фотометр видимого диапазона для исследования отражательной способности поверхности и атмосферы; прибор для определения радиояркостной температуры поверхности в диапазоне 3,4 см
, определения её диэлектрической проницаемости и температуры поверхностного слоя на глубине до 30—50 см
; ультрафиолетовый фотометр для определения плотности верхней атмосферы Марса, определения содержания атомарного кислорода, водорода и аргона в атмосфере; счётчик частиц космических лучей; энергоспектрометр заряженных частиц; измеритель энергии потока электронов и протонов от 30 эв
до 30 кэв
. На «М.-2» и «М.-3» находились 2 фототелевизионные камеры с различными фокусными расстояниями для фотографирования поверхности Марса, а на «М.-3» также аппаратура «Стерео» для проведения совместного советско-французского эксперимента по изучению радиоизлучения Солнца на частоте 169 Мгц
.
В спускаемом аппарате была установлена аппаратура для измерения температуры и давления атмосферы, масс-спектрометрического определения химического состава атмосферы, измерения скорости ветра, определения химического состава и физико-механических свойств поверхностного слоя, а также получения панорамы с помощью телевизионных камер. Полёт станций к Марсу продолжался более 6 мес
, с «М.-2» проведено 153, с «М.-3» — 159 сеансов радиосвязи, получен большой объём научной информации. На расстоянии около 20 млн. км
от Земли обнаружен «хвост» её магнитного поля. С увеличением расстояния от Солнца наблюдалось уменьшение электронной концентрации в межпланетной среде, а электронная температура оказалась в несколько раз меньше, чем вблизи Земли. Траектория полёта «М.-2» прошла на расстоянии 1380 км
от поверхности Марса. При подлёте к Марсу от «М.-2» была отделена капсула, доставившая на поверхность планеты вымпел с изображением Государственного герба СССР. 27 ноября 1971 двигательная установка «М.-2» была включена и станция перешла на орбиту спутника Марса с периодом обращения 18 ч
. 8 июня, 14 ноября и 2 декабря 1971 проведены коррекции «М.-3». Отделение спускаемого аппарата осуществлено 2 декабря в 12 ч
14 мин
по московскому времени на расстоянии около 50 тысяч км
от Марса. Через 15 мин
, когда расстояние между станцией и спускаемым аппаратом было не более 1 км
, спускаемый аппарат перешёл на траекторию встречи с планетой. Спускаемый аппарат двигался 4,5 ч
к Марсу и в 16 ч
44 мин
вошёл в атмосферу планеты. Спуск в атмосфере до поверхности продолжался немногим более 3 мин
. Спускаемый аппарат совершил посадку в южном полушарии Марса в районе с координатами 45° ю. ш. и 158° з. д. На борту аппарата установлен вымпел с изображением Государственного герба СССР. Орбитальная станция «М.-3» после отделения спускаемого аппарата двигалась по траектории, проходящей на расстоянии 1500 км
от поверхности Марса. Тормозная двигательная установка обеспечила переход её на орбиту спутника Марса с периодом обращения около 11 сут
. 2 декабря в 16 ч
50 мин
35 сек
началась передача видеосигнала с поверхности планеты. Сигнал был принят приёмными устройствами орбитальной станции и в сеансах связи 2—5 декабря передан на Землю.