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Die dritte Phase von 1973 bis 1983 ist zum einen von der intensiveren Erforschung der Nachbarplaneten Mars und Venus, zum anderen von der Erkundung des äußeren Planetensystems geprägt. Die für lange Zeit einzigen Vorbeiflüge an Merkur fanden mit Mariner 10 von 1973 bis 1975 statt. Daneben wurden weiteren Missionen zur Venus und zum Mars durch die UdSSR durchgeführt. Besondere Bedeutung erlangten in diesen Jahren zwei Programme: Viking und Voyager.

Im Rahmen des amerikanischen Viking-Programms wurden 1975 zwei Orbiter und zwei Lander zum Mars geschickt, die dort ein Jahr später ihre Arbeit aufnahmen und teilweise bis in die achtziger Jahre hinein Daten zur Erde sandten. Die Ergebnisse, vor allem die Fotokartierung der Oberfläche im Rahmen dieser Missionen bilden noch heute wichtiges Grundlagenwissen über diesen Planeten und dienen der Vorbereitung zukünftiger Missionen.

Modell der Voyager-Sonden (© NASA/JPL-Caltech)Modell der Voyager-Sonden (© NASA/JPL-Caltech)Ähnliche Bedeutung erlangte das Voyager-Programm. Die beiden baugleichen Voyager-Sonden starteten 1977 zur Erkundung des äußeren Sonnensystems. Zwischen 1979 und 1989 absolvierte Voyager 2 seine berühmte „Grand Tour“ mit Vorbeiflügen an den Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun und ihren jeweiligen Monden. Die beiden Voyager-Sonden haben in etwa 22 Milliarden Kilometer Entfernung die Grenze zum interstellaren Raum überschritten und senden noch heute Signale zur Erde. Das zuvor gewonnene Bildmaterial und die Messdaten stellen in Bezug auf das äußere Sonnensystem und dessen Grenze bis heute bedeutendes und hinsichtlich Uranus und Neptun sogar einzigartiges Grundlagenwissen dar. Die UdSSR setzte in dieser Phase ihr umfangreiches Venus-Programm mit Landungen, Oberflächenaufnahmen, Ballonsonden und Radarkartierungen fort. Die Venus wurde im Rahmen des US-amerikanischen Pioneer-Programms erkundet, ebenso wie später der Halleysche Komet, der bei seinem letzten Erscheinen im inneren Sonnensystem 1986 gleich von mehreren Raumsonden aus Europa, der UdSSR und Japan Besuch bekam. In diesen Jahren wurden neue oder modifizierte Sondentypen entwickelt, die jeweils eine höhere Nutzlastmasse ermöglichten; in der UdSSR ab Mars 2 bzw. Venera 9 und in den USA nach Mariner 10 mit Raumfahrzeugen eines modifizierten Mariner-Bauplans.