На испытаниях достигли скорости горизонтального полета у земли 207,2 км/ч. Это превышало показатели состоявших на вооружении ВВС РККА разведчиков Р-1 (копии DH.9 советской постройки) и Фоккер С. IV (купленных в Голландии), но было ниже требований технического задания. Недостаточной показалась и маневренность самолета. Причинами этого сочли неудачный подбор винта и дефекты рулевого управления. Тем не менее, в отчете НОА констатировалось, что новый разведчик имеет хорошую скорость и преимущества в эксплуатации, поскольку металлическая конструкция обеспечивала больший ресурс и высокую прочность.
Госиспытания закончились 17 апреля кольцевым перелетом Москва- Тула-Калуга-Москва (430 км). Маршрут преодолели за 2 часа 52 минуты со средней скоростью 146 км/ч.
Предложенные в НОА усовершенствования решили внедрить на втором опытном АНТ-3, постройку которого начали еще в декабре 1925 г. Он по первоначальному замыслу должен был быть эталоном для серии на московском заводе ГАЗ-5 «Самолет» (бывший завод Моска). От первой опытной машины второй экземпляр отличался несколько приподнятым нижним крылом. К-образными межкрыльными стойками вместо N-образных. удлиненной моторамой (для улучшения центровки двигатель вместе с радиатором сдвинули вперед), новым капотом, увеличенными баками и смещенной назад осью шасси. Мотор на этот раз стоял советский, типа М-5 – отечественная копия того же самого «Либерти».
Однако, еще в ходе постройки решили использовать этот самолет для перелета по Европе. Поэтому стрелковое и бомбовое вооружение, а также военное оборудование не устанавливались. В таком виде второй АНТ-3 был готов в начале августа 1926 г. и приступил к летным испытаниям. Летчику А.И.Томашевскому удалось получить показатели скорости, скороподъемности и маневренности значительно более высокие, чем на первом самолете. Тем не менее, мощность двигателя сочли недостаточной. В связи с этим на второй экземпляр установили английский мотор Нэпир «Лайон» мощностью 450 л.с. С ним повысилась и надежность топливной системы: теперь горючее шло из баков самотеком. а не подкачивалось помпой. Радиаторы сохранили прежние, типа Ламблена. Замена двигателя изменила центровку самолета, что улучшило продольную устойчивость и управляемость. Облет машины с «Нэпиром» 20-21 августа показал, что управляемость улучшилась; самолет легко и послушно выполнял виражи.
Уже 30 августа 1926 г. «Пролетарий» (это имя написали на борту АНТ-3 с «Нэпиром») с экипажем из летчика М М Громова и бортмеханика Е В Родзсвича отправился по маршруту Москва-Кенигсберг-Берлин- Париж-Рим-Вена-Прага- Варшава-Москва. За три дня «Пролетарий» пролетел 7150 км. побывав в шести странах. Это стало яркой демонстрацией растущей мощи воздушного флота страны. Впервые в полете участвовал самолет не только построенный, но и полностью сконструированный в Советском Союзе, причем цельнометаллический.
Без накладок, конечно, не обошлось. Во-первых, из Москвы АНТ-3 вылетал дважды: в первый раз, удалившись на 300 км от столицы. Громов вернулся из-за течи расширительного бачка. Бачок поспешно сменили на новый, с выпуклым овальным днищем. а газеты объяснили возвращение плохой погодой. На рассвете 31-го «Пролетарий» вновь отправился в путь. При дозаправке в Кенигсберге обнаружили течь в правом радиаторе. На подлете к Парижу вода из него уже не капала, а текла тонкой струйкой. Выручили французские механики: за одну ночь они сменили радиатор на свой, чуть большего размера, чем исходный. Таким образом, перелет не только выполнил свои пропагандистские задачи, но и помог выявить слабые места мотоустановки.
Значительно позже, в августе 1927 г, «Пролетарий» попробовали использовать для побития рекорда французских летчиков Пельте и Дуази, но неудачно. Из-за неполадок пилот Востницкий и механик Спирин вернулись в Москву.
Однако, надежд на получение большой партии «Лайонов» не было (отношения с Англией ухудшались) и на самолетах массовой серии решили поставить французский двигатель «Лоррэн-Дитрих» мощностью 450 л.с. Французы охотно соглашались поставить большую партию этих моторов, и довольно дешево. Эти 12-цилиндровые трехрядные (W-образные) двигатели были легче и мощнее М-5. хотя отличались более низкой экономичностью и склонностью к вибрациям. Вариант с «Лоррэн-Дитрих». проектирование которого начали во второй половине 1926 г.. назвали Р-3ЛД (в то время чаще писали РЗ-ЛД. а иногда Р111-ЛД), а старый обозначали как Р-3М5 (РЗ-М5 или P1I1-M5). Параллельно с внедрением новой мотоустановки велись работы по усовершенствованию конструкции крыла.
Тем временем завод ГАЗ-5 уже готовил серию Р-3М5. Поскольку это предприятие раньше металлические самолеты не строило, то ЦАГИ пришлось потрудиться, подробнейшим образом расписывая технологию. В технических условиях на приемку Р-3М5 было записано: «Все самолеты изготавливаются группами точно по рабочим чертежам и спецификациям ЦАГИ или по заводским рабочим чертежам и спецификациям, утвержденным ЦАГИ». Помогла ликвидация в марте 1927 г. концессии фирмы «Юнкерс». изготовлявшей на заводе в Филях цельнометаллические разведчики Ю-20 и Ю-21. поступавшие на вооружение ВВС РККА. Освободившиеся цеха передали ГАЗ-5 вместе с оборудованием и советским персоналом, уже имевшим определенный опыт.
