В дальнейшем сменились руководители создания самолетной и ракетной аппаратуры. Работы по РЛС, получившей название «Смерч», возглавил Ф.Ф. Волков, по радиолокационной ГСН — Н.А. Викторов в НИИ- 648, по тепловой ГСН — М.Хорол.

Для ракеты К-80 («изделие 36») была принята нормальная аэродинамическая схема. Корпус состоял из пяти отсеков. В переднем отсеке «радийной» ракеты размещалась полуактивная радиолокационная головка самонаведения ПАРГ- 10ВВ, в которой впервые в отечественной практике были реализованы коническое сканирование с электронным переключением луча по случайному закону, моноимпульсная пеленгация цели и всеракурсное наведение на цель. В связи с очень широким диапазоном скоростей сближения ракеты с целью (от 200 до 1600 м/с) перед пуском в ракету вводилась установка, указывающая на атаку цели в переднюю или заднюю полусферу. Ракета могла комплектоваться тепловой ГСН Т-80НМ «Рубеж», допускавшей атаку в заднюю полусферу цели с ракурсом до 3/4 в горизонтальной плоскости.

В следующем отсеке располагался радиовзрыватель РВ-80 с предохранительно-исполнительным механизмом И-60-80. В дальнейшем на «тепловой» ракете стал применяться оптический взрыватель НОВ- 80Н. Далее, позади боевой части массой 53,6 кг, располагались автопилот АПР-80 и ампульная батарея.

Твердотопливный двигатель ПРД-84 снаряжался зарядом топлива массой 121 кг, выполненным в виде шашки диаметром 0,288 м при длине 1,269 м с цилиндрическим каналом диаметром 68 мм. Суммарный импульс тяги в наземных условиях составлял 24500 кгс.

В хвостовой части ракеты, вокруг удлиненного газохода сопла двигателя вдоль продольной оси ракеты располагались многочисленные баллоны пневмосистемы, а за ними — рулевые машины привода аэродинамических рулей.

Треугольное крыло имело значительную площадь и большой угол стреловидности по передней кромке (75‘) при нулевом угле по задней, что в те годы было несколько необычно для ракет класса «воздух-воздух», как правило, оснащенных ромбовидными крыльями. Малая нагрузка на крыло в сочетании с высокой энерговооруженностью обеспечивали реализацию поперечной перегрузки ракеты до 21 единицы. Управление по всем каналам осуществлялось дифференцированным отклонением цельноповоротных рулей.

Ракеты подвешивались на бугелях на пусковые установки АПУ-128.

В 1959 г. была выпущена конструкторская документация, которую пришлось серьезно переработать в следующем году исходя из применения новых источника питания и автопилота, уточнения требований по увязке ракеты с самолетом-носителем, а также учитывая результаты продувок в аэродинамических трубах. В частности, для исключения флаттера изменилась форма аэродинамического руля, законцовка которого была скошена с уменьшением размаха по задней кромке. Такая форма позволила обеспечить почти оптимальную совокупность профилей без перехода на нежелательные малые толщины на периферии задней кромки.

Первый вылет самолета «128» состоялся в апреле 1961 г. Спустя всего 3 месяца, 9 июля 1961 г., он в ходе воздушного парада пролетел над полем аэродрома Тушино, неся под крылом два макета ракет. В том же году были проведены первые автономные пуски ракет К-80 — по четыре с земли и с летающей лаборатории.

Традиционно занимая привилегированное место в структуре МАП, туполевская «фирма» имела достаточные возможности для своевременной летной отработки элементов комплекса на «нештатных носителях». Правда, один из первых образцов РЛС «Смерч» занял почти «родное» положение на месте кабины штурмана переоборудованного опытного Ту-98, который, к сожалению, вскоре потерпел аварию. Наиболее эффектным элементом отработки стало превращение мирного первого советского реактивного лайнера Ту-104 № 5406 в «грозный ракетоносец» — летающую лабораторию для проведения пусков ракет К-80. На борту пассажирского Ту-104ЛК обеспечивались более благоприятные условия для размещения специалистов и испытательного оборудования в сравнении с практически равным по летно-техническим характеристикам Ту-16.

В 1962 г. пуски проводились как с Ту-104ЛК, так и с трех Ту-128. Наряду с четырьмя автономными пусками, девятью пусками телеметрических ракет с тепловыми и «радийными» ГСН по парашютным мишеням ПМ-2, ПМ-4109и ВУМ начались стрельбы тепловыми ракетами по мишеням на базе Ил-28. Вначале несколько пусков прошло неудачно по вине самолетной РСЛ. Первый беспилотный бомбардировщик был сбит 27 сентября, а до конца года удалось поразить еще две такие цели. Хуже прошли стрельбы по Ил-28 с передней полусферы: из восьми мишеней пусками 15 ракет была поражена всего одна. Только после доработки основного «виновника» неудач — радиовзрывателя — удалось сбить еще один Ил-28 с передней полусферы. Результаты облетов высотных вариантов Як-25 подтвердили возможность обстрела целей, летящих со значительным превышением. Для облегчения эксплуатации ракет в войсках доработали конструкцию крепления крыльев.

Начиная с апреля 1963 г. начались испытания третьего прототипа самолета «128», впервые оснащенного полным комплектом БРЭО, включая РЛС «Смерч», что позволило приступить к полномасштабной отработке «радийных» ракет. В период с августа 1963 г. по май 1965 г. ракетное вооружение самолета испытывалось совместно с другими элементами комплекса в ходе проведения второго этапа государственных испытаний. Основными целями в десятках пусков были все те же мишени на базе Ил-28, обстреливаемые с передней и задней полусфер ракетами как с тепловой, так и с радиолокационной ГСН, оснащенными сначала радиовзрывателями, а затем и оптическими неконтактными взрывателями. Пришлось заменить блок фильтра радиовзрывателя и усилить конструкцию планера. Провели также две стрельбы по мишеням на ЯК-25РВ, летящим на высоте 17500 м с превышением 4500 м над носителем. Для изучения процессов наведения перехватчика со взятием цели на автосопровождение ГСН ракеты продолжались облеты с различных ракурсов самолетов Ту-16, Су-9, МиГ-19 и ЯК-25РВ. С учетом полученной информации по новому американскому разведчику А-11 провели моделирование процесса наведения на сверхскоростные высотные цели.

В 1965 г. в ходе пусков четырех телеметрических и трех боевых ракет сбили три беспилотных Ил-28. Кроме того, выполнили пару автономных пусков, 23 полета летающей лаборатории Ту-104. Исходя из положительных результатов государственных испытаний комплекс был рекомендован к принятию на вооружение и официальную постановку в серийное производство. Первый самолет «128», собранный на серийном заводе № 64 в Воронеже, поднялся в воздух еще 13 мая 1961 г С 1965 по 1966 г серийное производство ракет Р-4 («изделие 36») велось на калининградском заводе № 455 (Калининградском механическом заводе), а в дальнейшем на киевском Заводе им. Артема.

Всего в ходе испытаний сбили 23 цели, в том числе пять Як-25РВ, девять Ил-28 и три Ту-16. Главком ВВС Вершинин утвердил акт государственной комиссии 13 сентября 1964 г

Принятие на вооружение было утверждено постановлением от 30 апреля 1965 г. с приданием наименования комплексу Ту-128-80, самолету — Ту-128, РЛС — РП-28, а ракете — Р-4. При этом для ракеты была определена максимальная дальность 20–25 км при стрельбе по целям, летящим со скоростью до 2000 км/ч в передней полусфере, и 10–12 км при скорости цели до 1250 км/ч в задней полусфере. Цели поражались на высотах от 8 до 21 км (в том числе летящие с превышением 7–8 км). Подвеска ракет снижала максимальную скорость перехватчика с 1910 до 1665 км/ч, эта величина и определяла процесс выведения на цель.

После принятия на вооружение продолжалось проведение пусков в интересах устранения выявленных недостатков и расширения боевых возможностей ракет В 1966 г. осуществлялись экспериментальные пуски по целям на малой высоте (500 м), но они прошли неудачно из- за сбоев и