Поисковые работы над образом новой машины велись еще с 1958 г., т. е. в процессе проектирования и испытания серии перехватчиков Е-150 и Е-152. База для проектирования была солидной.
Изучен и отработан двигатель Р15Б-300, единственный пригодный для этой цели ТРД.
Правда, более мощные двигатели, такие, как РД16-17, строились и испытывались в Рыбинском КБМ под руководством П. Колесова, но это были единичные экземпляры, предназначенные в основном для тяжелых сверхзвуковых опытных бомбардировщиков. Перспективный мощный двигатель ОКБ JI. Люльки находился лишь в состоянии начального проектирования.
Среди радиолокационных станций для самолета больше всего подходила РЛС «Смерч-А», разработанная для перехватчика Ту-128 конструкторским бюро Ф. Волкова. Она имела бблыпие массу и габариты, чем станция «Орел», предназначенная для обнаружения и уничтожения целей на средних дальностях ракетами К-8, но позволяла обнаруживать цели на дистанции до 100 км с азимутом ±60°. Угол излучения параболической антенны РЛС «Смерч-A» в горизонтальной плоскости почти в два раза превышал аналогичные углы других советских самолетных станций. Существенным недостатком РЛС была ее элементная база (радиолампы), значительно снижавшая надежность.
Наличие в США высотных разведчиков типа U-2 и RB-57, а также проектирование высокоскоростного SR-71 подтолкнули и советский военно-промышленный комплекс заняться аналогичными разработками. Близость основных тактикотехнических требований к перехватчику и разведчику (скорость, соответствующая М = 3, и потолок более 20 000 м) привела к идее их создания на основе единой конструкции высотного высокоскоростного самолета. Принципиальное решение по этому вопросу было принято в 1960 г. А 10 марта 1961 г. генеральный конструктор Артем Микоян издал приказ о начале проектирования новой машины под шифром Е-155 в вариантах разведчика и перехватчика.
В отделе проектов фирмы была создана группа из 12 человек, работу которых возглавлял главный конструктор самолета Н. Матюк. Главным же руководителем и идеологом темы стал первый заместитель генерального конструктора Михаил Гуревич. По словам одного из сотрудников фирмы Валентина Степанова, в группу проектирования Микоян подобрал инженеров «максимально прогрессивных взглядов с нестандартным мышлением, склонных к неожиданным решениям». Под давлением руководителя ОКБ эскизный проект был закончен через полгода, а в 1962 г. уже заседала макетная комиссия по разведчику, опытный экземпляр которого должен был быть построен первым.
Что же касается нестандартных и неожиданных решений, то эти слова точнее всего характеризуют проект, разработанный конструкторами. Самолет представлял собой двухдвигательный высокоплан с двухкилевым хвостовым оперением. Центральную часть фюзеляжа занимал сварной топливный отсек из стали, вмещавший более 10 т горючего. Топливом предполагалось заполнить и металлические баки на концах крыла. Такой значительный запас горючего был необходим для дальних и длительных полетов на большой сверхзвуковой скорости. В носовой части фюзеляжа располагалось радиолокационное и разведывательное оборудование, ближе к хвостовой части – двигатели. К бокам фюзеляжа прилегали регулируемые воздухозаборники с большой площадью сечения прямоугольного отверстия и горизонтальным клином торможения воздушного потока (впоследствии это техническое решение применят на других типах самолетов в СССР и за рубежом). Два двигателя были выбраны в связи с тем, что по расчету самолет получался довольно тяжелым (большая масса топлива, оборудования и конструкции). Для обеспечения нормальной путевой устойчивости площади однокилевого хвостового оперения уже не хватало (иначе оно получалось очень большим), поэтому приняли схему двухкилевого оперения с небольшим развалом плоскостей, впоследствии хорошо себя зарекомендовавшую. Для этой же цели служили и дополнительные вертикальные поверхности на крыле и под фюзеляжем.
Создание нового самолета потребовало включения в работу целого ряда организаций. Кроме традиционных участников, таких, как двигателестроительное ОКБ С. Туманского, ЦАГИ, фирмы, создающие оборудование и вооружение, к процессу проектирования подключили Всесоюзный институт авиационного материаловедения (ВИАМ), в задачу которого входили поиск и разработка новых материалов. При длительных полетах на большой сверхзвуковой скорости ряд элементов конструкции должен был нагреваться до 200-300°С. Необходимо было найти марки сплавов из стали и титана, не терявших прочностные качества при такой температуре и позволявших построить самолет с заданной массой. Потребовалась разработка и новых лакокрасочных материалов, стекла, герметики и резины.
Традиционно строивший МиГи Горьковский авиационный завод также начал подготовку к производству машины. Нужно было освоить новые технологические процессы обработки жаропрочных металлических сплавов, неметаллических соединений, автоматизировать сварку и термообработку крупногабаритных отсеков и агрегатов. Советская авиационная промышленность готовилась преодолеть свой барьер в создании самого скоростного самолета третьего поколения.
