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  從地面發射之後,水手2號首先進入的是118公里的地球軌道。980秒後火箭第二級啟動,水手2號開始進入轉移軌道。發射後44分鐘,太陽能電池完全展開。8月29日,各種科學儀器開始工作。9月8日,水手2號突然失去了姿態控制,但3分鐘後又恢復了過來,這可能是由於某個部件的碰撞造成的。10月31日,太陽能電池不能正常工作,科學儀器也因此被迫關閉。一週後太陽能電池恢復正常,然而在11月15日太陽能電池又出現了問題。幸運的是此時水手2號已經足夠接近太陽,所獲得的電力仍在可接受的範圍之內。12月14日,雷達系統開始工作,水手2號開始以30°的角度接近金星。 其距離金星最近的時刻為世界標準時1962年12月14日19點59分28秒,此時的高度為34773公里。之後水手2號開始進入日心軌道。世界標準時1963年1月3日7點是最後一次接收到它發回訊號的時間。根據其發回的資料,科學家們估計金星上覆蓋著厚達60公里的二氧化碳大氣層,金星表面溫度大概在425攝氏度。
水手2號探測器是美國發射的第二個水手系列探測器,該探測器成功地掠過金星從而成為人類第一個成功接近其他行星的空間探測器。 水手2號的結構與水手1號基本一致,攜帶了6臺科學儀器。包括一臺工作在13.5毫米和19毫米的雙通道微波雷達,一臺工作在8至9微米和10至10.8微米波段的紅外雷達,1臺磁力計,1個電離室,1個粒子探測器以及1臺宇宙塵埃檢測儀。 在經歷了108天、2億9千萬公里的飛行之後,水手2號在12月14日接近金星並拍攝下了紅外及微波波段的影象。