С развертыванием работ по К-51 в КБ-1 вновь оказался востребован один из прежних руководителей работ по ракете – Д.Л. Томашевич, которого в последний день мая 1958 г. назначили главным конструктором по К-51 в КБ-1. КБ-1, однако не располагало достаточной производственной базой для изготовления ракет. Поэтому спустя пару недель организация работ вновь претерпела ряд изменений. Приказом Госкомитета по авиационной технике калининградский завод N° 455 был определен в качестве опытной базы КБ-1 при проведении работ по К-51. Начальником КБ при заводе назначили М.Е. Екидовича, а техническое руководство возложили на Томашевича. Работавших в КБ-1 А.А. Колосова и Э.В. Ненартовича назначили главными конструкторами комплекса К-51 в целом и системы управления соответственно.
В соответствии с Постановлением от 16 апреля 1958 г. №41-198 применение системы К-51 предусматривалось как в составе авиационных ракетных комплексов перехвата Т-3-51 с размещением на самолете Т-3 четырех К-5М, так и в составе комплекса СМ-12-51 на самолете СМ-12 – варианте МиГ-19 с оптимальным для сверхзвуковых условий воздухозаборником с заостренными кромками и центральным телом. Отметим, что Постановлением предусматривалось также использование системы автоматизированного наведения истребителей – "Воздух-1". Использование директорного, а в дальнейшем и автоматизированного режимов наведения истребителя в сочетании с ракетным вооружением превращала перехватчик в первую пилотируемую ступень своего рода зенитной ракеты дальнего действия, сводя роль летчика к минимуму. Выход на летные испытания Т-3-51 и СМ-12-51 планировался, соответственно, в августе и сентябре 1958 г.
Еще до оформления Постановления, решением Военно-промышленной комиссии № 12 от 3 марта 1958 г. было задано переоборудование под комплекс К-51 одного из первых серийных Т-3 (заводской № 0103), а также изготовление на заводе № 153 еще трех ракетоносцев с представлением на испытания в мае-июле. В мае 1958 г. летчик- испытатель В.И. Ильин поднял в воздух первый носитель системы К-51 – самолет Т-43-2, переделанный для этих испытаний из ПТ-8. Под крылом сухо- вского носителя ракеты размещались на пусковых устройствах АПУ-19 (внутренняя пара) и АПУ-20 (внешняя пара).
В свою очередь, на заводе № 21 изготовили один СМ-12ПМ и два экземпляра подобного самолета с жидкостным ракетным ускорителем – СМ-12ПМУ. Еще в июне 1958 г. для проведения испытаний назначили летчиков Г.А. – Мосолова и К.К. Коккинаки. Однако, МиГ-19 устаревал все стремительней и после проведения на полигоне во Владимировке в сентябре – октябре 1958 г. заводских испытаний, а с 20 декабря – совместных государственных испытаний, по Постановлению от 4 июля 1959 г. № 735-338 работы по его ракетоносному варианту СМ-12-51 были прекращены.
В ходе летных испытаний К-51 в составе Т-3 удалось подтвердить возможность применения ракет в диапазоне высот от 7 до 20 км, а также выполнить автономные пуски на высотах до 23 км. Несмотря на то, что комплекс предъявили на государственные испытания уже в сентябре, фактически их первый этап начался только с 3 декабря 1958 г. и продолжался до 15 мая следующего года, в то время как по Постановлению все этапы госиспытаний требовалось выполнить всего за три месяца. К тому же, при первых пусках по Ил-28 выявились преждевременные срабатывания радиовзрывателя, что потребовало его доработки.
Второй этап государственных испытаний системы проводился с 10 октября 1959 г. и до начала следующего года удалось выполнить 90 полетов, сбив в восьми пусках 4 Ил-28 и 3 МиГ-15, упустив один Ми Г-15 из-за отказа матчасти. В ходе этих испытаний задействовалась и система " Воздух-1", а также другие элементы авиационного комплекса перехвата. Государственные испытания завершились 9 апреля 1960г. В проведении испытаний участвовал будущий космонавт Г.Т. Береговой и другие летчики-испытатели ВВС – Н.И. Коровушкин, В.Г. Плюшкин, JI.H. Фадеев, а также пилоты суховской "фирмы" B.C. Ильюшин, А.А Кознов, Л.Г. Кобещан.
Ракета К-51 (РС-2УС) под крылом истребителя МиГ-21П. Фото представлено М.Дюреши