マリナー１０号は、一つの惑星（金星）の重力を利用して加速するスウイングバイにより目標の惑星（水星）に到着した最初の探査機であり、水星に遭遇した唯一の探査機でもある。
マリナー１０号の本体は、８つのフレームで仕切られた８面体の箱型で、それぞれに電子機器が収納されている。本体のさしわたしは１．３９ｍ、高さは４５ｃｍである。
本体の上には、９７ｃｍ長さ２．７ｍの太陽電池パネルが２基取り付けられている。
直径１．３７ｍの全方位性の低利得アンテナは、５５ｃｍの焦点距離を持つ、表面がハニーコウムのパラボラ型反射鏡である。低利得アンテナを使い、マリナー１０号はＳ帯とＸ帯での送信が可能になる。本体の上にはカノープス星感知器が、太陽電池パネルの先端には太陽光を感知するセンサーが取り付けられている。本体の内側は、上部と底部が多層の耐熱被膜で覆われている。打ち上げ後は、シェード（日遮け）が展開され、太陽に向いた機体の側面を保護する。
マリナー１０号の目的は、水星と金星の大気、地表および物理特性の測定で、そのための観測機器として、ＴＶカメラ、磁場とプラズマの測定器、赤外線放射測定器、紫外線分光器および無線科学検知機が搭載されていた。
１９７３年１１月３日の打上げ後、マリナー１０号は約２５分間地球の待機軌道にあり、それから太陽を周回した後金星の軌道に向かった。金星への飛行でマリナー１０号は、星間物質、太陽風などの観測を行った。１２月２４日に最初の軌道修正を行い加速して慣性飛行を続けた。１９７４年２月５日に再度軌道修正を行い、金星から４２００ｋｍまで最接近して、ＴＶカメラ、磁力計、大気光紫外線分光計で観測を行なった。これと同時に金星の重力を利用したスウィングバイで、水星に向かうよう軌道を変換した。
３月１６日、軌道修正と姿勢制御を行いながら、大気紫外線分光計により水星を観測し、ＴＶカメラで全体のモザイク画像を撮影した。３月２９日、水星の表面から７０４ｋｍの最接近距離を通過しながら第１回目の接近観測を行った。
 
マリナー１０号が撮った水星のモザイク画像 |
９月２１日、４万７０００ｋｍまで接近して、第２回目の接近観測を行った。第３回目の接近観測は、翌年３月１６日に３２７ｋｍの距離から行われ、３００枚の画像を撮影と磁場の観測（微弱であることが確認された）を行った。
マリナー１０号の撮った水星の代表的な地形のカロリス・ベイスン |
マリナー１０号は、これ等３回の接近観測を含め、合計４１６５枚の画像を撮影した。この他、マリナー１０号の赤外線干渉計の観測により、水星の昼間の地表温度は摂氏３５０度に達して鉛も溶けるほどの焦熱地獄となり、太陽に最も近づく近日点では摂氏４００度にも上昇することがわかった。また水星の夜には、地表の温度は摂氏−１６０度に下がる極寒の世界であることが確認された。水星には大気が存在しないこともこの観測でわかった。
水星の観測は１９７４年３月１６日以って終了したが、マリナー１０号の追跡は、姿勢制御ガスが全て尽きた１９７５年３月２４日まで続けられた。
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