С началом космической эры в ЛИИ начались исследования сущности процессов, происходящих в космических технических системах и физиологии организма человека в условиях космического полета, и 104-е внесли здесь весомый вклад. Для отработки оборудования и тренировки космонавтов по инициативе ОКБ-1, возглавляемого С.П. Королевым, силами ЛИИ и ОКБ А.Н. Туполева был создан ряд летающих лабораторий на базе Ту-104, которые организационно входили в летно-испытательный отряд ОКБ-1. Это были машины с доработанной топливной системой, обеспечивавшей работу двигателей на околонулевых перегрузках.
Первая из них вступила в строй в 1960 году. Самолет оснастили автоматом перегрузки. выдерживающим условия невесомости на режиме полета «горка» в течение 25-28 секунд. Исследовании проходили на высотах 6-9 тыс. метров. Самолет разгонялся и переводился в кабрирование с утлом до 45°, затем отдачей штурвала устанавливалась нулевая перегрузка и поддерживалась так до утла пикирования 40-45 градусов. От мастерства командира Ту-104 зависело многое, ведь невесомость должна была выдерживаться на уровне «нуля по трем осям». Из пике самолет выводился на максимально допустимой скорости. В программах летных испытаний в дальнейшем принимали участие летчики-испытатели В.П. Васин, П.И. Казьмин, В.П. Хапов, М.П. Киржаев. Ведущим инженером по этой теме был Е.Г. Березкин, кроме этого участвовали Г.И. Северин, К.И. Бестужев, A.Д. Миронов, ЮА Винокур. На первом этане исследовалось влияние невесомости и ее переносимость животными и людьми, затем – испытания оборудования и снаряжения с участием космонавтов Ю. Гагарина. В. Комарова, К. Феоктистова, В. Аксенова, А. Елисеева.
В 1964 году проводилась большая работа по отработке в условиях невесомости на действующем макете шлюзовой камеры космического корабля «Восход-2» перед первым выходом человека в открытый космос.
Один из таких «бассейнов невесомости» ЛЛ Ту-104 принимал участие и в программе «Луноходов». В специальный канал внутри салона засыпали грунт, по которому должен двигаться аналог «лунохода». Таким образом, изучались тяго-сцспные характеристики мотор-колеса аппарата и влияние на них конструктивных параметров. Работы но этой теме продолжались не один год.
На базе опыта применения ЛЛ Ту-104 создали машину для отработки в условиях невесомости различных гидравлических и тепловых систем. Ведущим инженером по этой работе был А.Т. Фролов. Наконец, на ЛЛ Ту-104 в условиях невесомости проводились испытания электросварочного агрегата института им. Е.О. Патона и устройства раскрытия телевизионной антенны спутника связи. Бортинженеры ЛИИ B. Анастасьев и И. Карпухин провели на ЛЛ Ту-104 в условиях невесомости в общей сложности больше времени, чем Гагарин или Титов. После отработки режимов невесомости в ЛИИ лаборатории Ту-104 стали совместно эксплуатировать военные летчики НИИ ВВС на аэродроме Чкаловская.
Самолет Ту-104 СССР-06195 принимал участие в программе СПС Ту-144. Этот борт принадлежал туполевцам, и силами ОКБ был переоборудован в ЛЛ Ту-104 по отработке навигационной системы НК-144. Для эксплуатации эта ЛЛ была передана в ЛИИ в 1974 году. На борту этой машины был выполнен огромный объем работ по доводке автоматической бортовой системы управления АБСУ-144 на начальном этапе ее проектирования. Опытный образец АБСУ-144 был размещен на летающей лаборатории таким образом, что в салоне Ту-104 имелась приборная панель Ту-144 с пультами и приборами. входящими в состав навигационной системы НК-144. Эта ЛЛ использовалась для обучения и тренировки летчиков и штурманов МАИ и МГА (всего 18 человек) и для их подготовки к испытаниям Ту-144. НаЛЛ Ту-104 также были проведены государственные испытания НК-144 на дозвуковых скоростях, что позволило существенно сократить сроки испытаний Ту-144 по программе пилотажно-навигационного комплекса.
Еще раз Ту-104 в ЛИИ (правда, неизвестно, какая машина) использовался в 70-е годы в качестве летающей лаборатории при создании одной из первых отечественных навигационных систем с БЦВМ – НИК-154 для самолета Ту-154.
В связи с ускоренным развитием средств воздушного обнаружения и перехвата в 60-е годы в ЛИИ созданы две ЛЛ на базе семейства Ту-104-для отработки электронных систем, разработанных предприятиями минрадиопрома. Первая – па базе Ту-104 СССР-42326 для отработки систем вооружения МиГ-25П и Ту-128. вторая – на базе Ту-110 – для аналогичных систем МиГ-23. 104-я была оборудована БРЛС, системой управления и ракетами К-80, которые подвешивались под каждой плоскостью. В салоне устанавливались пульты управления, измерительно-регистрнрующая аппаратура и четыре рабочих места экспериментаторов. В процессе испытаний на этом Ту-104 отрабатывались режимы и снимались характеристики дальности обнаружения, захвата и сопровождения воздушных целей в заднюю и переднюю полусферы, разрешающие способности БРЛС и ГСН. Исследовалась работоспособность при наличии как естественных, так и искусственных (активных и пассивных) помех. На Ту-110 была установлена РЛС «Сапфир» без ракет, испытания проводились для отработки РЛС в режимах обнаружения, захвата и сопровождения целей.
