Beim zweiten Versuch gelang der Sowjetunion am 15.05.1958 der Start ihres großen Forschungssatelliten „Objekt D“, nun bezeichnet als Sputnik 3. Der Satellit war seit Anfang des Jahres 1956 entwickelt worden. Seine komplexe Ausrüstung und Probleme mit der Trägerraketenentwicklung hatten den Start aber immer wieder verzögert, so daß schließlich zunächst zwei „einfache“ Satelliten, PS-​1  und PS-​2 , besser bekannt als Sputnik 1 und Sputnik 2 zum Einsatz kamen. Als schließlich Sputnik 3 startbereit war, versagte am 27.04.1958 die erste Sputnik 8A91 Rakete. Glücklicherweise stand ein zweites Ingenieurmodell voll ausgerüstet zum Start bereit und so konnte am 15.05.1958 ein erneuter Startversuch unternommen werden. Diesmal arbeitete die Sputnik 8A91 Rakete wie vorgesehen und Sputnik 3 erreichte seine Umlaufbahn. Es handelte sich bei ihm um einen für die damalige Zeit sehr umfangreich ausgestatteten Forschungssatelliten: zwei Ionisationsmanometer, ein Magnetometer, ein Magnetmanometer, ein Hochfrequenz-​Massenspektrometer, zwei Kugelgitter-​Ionenfallen, ein Tscherenkow-​Zähler, zwei Luminiszenzmesser, ein Zähler für kosmische Strahlung, vier piezoelektrische Mikrometeoritenzähler und mehrere elektrostatische Ladungsmesser gehörten zur Ausrüstung. Sowjetische Experten betonten, daß mit dieser Ausrüstung der größte Teil der Forschungen realisiert werden konnte, die die USA im IGJ 1958/59 mit zahlreichen Explorer– und Vanguard-​Satelliten durchführen wollten. Amerikanische Forscher verwiesen dagegen darauf, daß die Gewinnung derartiger Meßdaten mit nur einem Satelliten auf nur einer Bahn wenig wissenschaftlichen Wert hatte. Dennoch erarbeitete eine Arbeitsgruppe der NASA einen Langzeitplan, der zu eben solchen umfangreich ausgerüsteten Forschungslaboratorien führen sollte (z.B. OGO). Erstmals wurden bei einem sowjetischen Satelliten Solarzellen zur Energieversorgung eingesetzt. Propagandistisch wurde aber besonders die Größe und Masse von Sputnik 3 herausgestellt. Die Startmasse von 1.327 kg war allerdings auch wirklich beeindruckend, insbesondere für das US-​Militär, das sich derart eine recht gute Vorstellung vom Potential der R-​7  Rakete als Atomwaffenträger machen konnte. Erst 1990 wurden die westlichen Mutmaßungen bestätigt, wonach Sputnik 3 eigentlich als erster Satellit gestartet werden sollte, jedoch nicht rechtzeitig fertiggestellt werden konnte. Und auch der angenommene Fehlstart einige Wochen vor Sputnik 3 hatte sich tatsächlich ereignet. Gerüchte über weitere mißlungene Satellitenstarts trafen hingegen nicht zu und hatten ihren Ursprung in der zeitgleich laufenden Erprobung des militärischen Modells 8K71. Aus den nun freigegebenen Unterlagen ging zudem hervor, daß aufgrund eines defekten Bandaufzeichnungsgerätes Sputnik 3 die Struktur der irdischen Strahlungsgürtel nicht hatte aufdecken können. Das Gerät, das unmittelbar nach dem Start seine Arbeit einstellte, sollte die Meßdaten in jenen Flugphasen speichern, in denen keine Bodenstation Funkkontakt hatte. So konnten aber nur die Daten beim Überflug sowjetischen Territoriums empfangen werden, was die Entdeckung der Strahlungsgürtel der Erde verhinderte. Die Situation war vergleichbar mit der von Professor James Van Allen in den USA nach der Auswertung der ersten Meßwerte von Explorer I. Erst die auf Band aufgezeichneten Messungen von Explorer III erlaubten die korrekte Interpretation und führten zur Entdeckung der Strahlungsgürtel.