Первые полеты разведчика прошли успешно, однако при подходе к звуковому барьеру возникла сильная «валежка» самолета, не устраняемая даже полным отклонением элеронов. Чтобы не тормозить испытания, летчики предложили специальный маневр: еще при приближении к скорости звука машину предварительно кренили в сторону, противоположную «валежке». При прохождении звукового барьера крен как бы автоматически устранялся. Оказалось, что при дальнейшем увеличении скорости управляемость по крену восстанавливается. Для ОКБ это не было новым явлением – оно отмечалось на МиГ-15, МиГ-17, МиГ-19 и явно говорило о необходимости конструктивных доработок.
Следующей выявили проблему повышенных колебаний крыла при частичной выработке топлива из концевых баков. Оказалось, что их провоцирует… керосин, который свободно плещется в полупустых емкостях. Решение проблемы нашли простое и эффективное – отказались от баков. При скоростях, близких к предельным, столкнулись сразу с несколькими проблемами: неустойчивым горением в форсажной камере, образованием так называемой «пелены» пограничного слоя на входе в воздухозаборник, что приводило к увеличению сопротивления и повышенной тряске. Взлетный вес Е-155Р-1 оказался выше расчетного, так же, как и расход топлива при наборе высоты. Все это не позволило получить требуемую дальность полета.
В 1965 г. построили второй опытный разведчик Е-155Р-2, уже не имевший концевых топливных баков. К тому времени были построены и также проходили испытания два опытных перехватчика (о чем несколько позже), что позволило значительно ускорить доводку самолета в целом. В испытаниях стали принимать участие летчики ЛИИ и ГНИКИ ВВС, а также Горьковского авиазавода. Спектр проблем, которые приходилось решать, все ширился. Например, не выдерживала аэродинамического нагрева краска, и после ряда полетов на предельных режимах о первоначальном цвете звезд можно было только догадаться. Пришлось разработать специальные термостойкие краски с высокой отражающей способностью. Всего в процессе заводских испытаний опытных разведчиков и перехватчиков было выполнено около 200 полетов. Полученные ЛТХ, в основном, удовлетворяли требованиям ВВС. Диапазон высот и скоростей был полностью проверен, удалось обеспечить необходимую устойчивость и управляемость. Однако Государственные испытания разведчика и перехватчика пришлось проводить раздельно – слишком отличались между собой их программы.
Так как мощности опытного производства ОКБ в Москве не позволяли изготовить необходимое количество прототипов, установочные партии разведчиков и перехватчиков выпускались в Горьком. Третий прототип разведчика (Е-155Р-3, бортовой номер «3155» красного цвета), построенный на Волге в 1965 г., был полностью укомплектован штатным оборудованием. Кроме того, от первых прототипов он значительно отличался по конструкции. Помимо ликвидации топливных баков на законцовках и размещения на их месте противофлаттерных грузов, изменили угол установки крыла до +2" и увеличили кили, перекомпоновав расположенные на них антенны. Под фюзеляжем подвесили бак емкостью 5300 л, длина которого превышала половину длины самолета. Такой огромный подвесной резервуар с топливом впервые применялся в практике советского самолетостроения.
Совместные Государственные испытания Е-155Р проводились, в основном, силами ГНИКИ ВВС в Ахтубинске. Бригаду института, занимавшуюся испытаниями разведчика, возглавлял п-к Румянцев, ведущим летчиком был п-к А.С. Бежевец. Испытатели искали ответы на такие сложные вопросы, как влияние пограничного слоя воздуха и скачков уплотнения на качество получаемых фотоизображений; влияние циклических тепловых нагрузок на прочность остекления фотолюков; влияние теплового потока на фотоаппаратуру; возможность передачи неискаженного изображения через остекление, нагретое до 250°С; влияние вибраций и т.д. Любая из этих причин могла привести к существенному падению разрешающей способности установленной на самолете длиннофокусной оптики. Опасения основывались на опыте эксплуатации высотных разведчиков Як-25Р, разрешающая способность фотоаппаратуры на которых составляла всего 10 линий/мм (на земле этот параметр был в три раза лучше).
В ходе этих полетов конструкцию фотоустановки доработали: в саму камеру ввели инваровые стержни, обеспечившие снижение напряжений в оптических деталях (инвар – специальный сплав с таким же коэффициентом температурного расширения, как у стекла). Предложенная инженером В.К.Хоменко схема плавающего крепления остекления к силовому люку позволила избежать в нем термических напряжений, а расположение фотоаппаратуры в носовой части фюзеляжа дало возможность вести съемку через относительно тонкий пограничный слой воздуха. В итоге разрешающую способность оптики в полете удалось поднять до 30 линий/мм. На практике это означало, что с высоты 20 км можно сфотографировать объект размером 30 см. Исследовалась возможность аэрофотосъемки и с меньших высот при дозвуковой скорости полета. Выяснилось, что без всяких регулировок фотооборудования получение качественного изображения обеспечивается с высоты 10 км и даже 6 км.
