С 25 июня 1960 г. по 20 апреля 1961 г. в ГК НИИ ВВС на двухсерийных МиГ-21 Ф № 72210206 и № 72210207 отрабатывалось применение бомбового и неуправляемого ракетного вооружения. Ведущим летчиком-испытателем был М.Х. Халиев, ведущими инженерами по испытаниям – В.К. Ефимов и Н.В. Горохов. Всего было выполнено 114 полетов с общим налетом 50 часов. В итоге авиационная система вооружения АС-24 с ракетой С-24 калибром 240 мм дополнила арсенал МиГ-21 Ф. до того включавший, помимо пушек, лишь 57-мм НАР и бомбы массой 50, 100. 250 или 500 кг.
С осени 1959 г. несколько серийных МиГ-21 Ф подключили к испытаниям системы ракетного вооружения «воздух-воздух» К-13. В частности, одна машина с красным бортовым номером «31» после оснащения пусковыми устройствами АПУ-13Д и внесения изменений в состав оборудования стала называться Е-6Т/1, после аналогичных доработок другой самолет с красным бортовым номером «32» получил название Е-6Т/2. Эта машина приняла участие в ГСИ системы К-13, сбив 2 мишени МиГ-15М. Еще один самолет, Е-6Т/3 (без бортового номера), оснащенный пусковыми устройствами, использовался для отработки бортового оборудования, в частности, автопилота.
Успешные пуски в ходе ГСИ системы К-13 позволили Постановлением Совета Министров СССР от 2 февраля 1960 г. передать новую ракету в серийное производство на заводы № 43 в Москве и № 485 в Киеве. В связи с тем, что создание полноценного перехватчика на базе МиГ-21 затягивалось (об этом – далее), параллельно решили оснастить управляемыми ракетами серийный МиГ-21 Ф. Уже в июле 1960 г. завод в Горьком выпустил первую серию истребителей-ракетоносцев, получивших обозначение МиГ-21Ф-13 («изделие 74»). От предшественников они отличались отсутствием левой пушки (боезапас правой был сокращен до 30 снарядов) и установкой под каждой консолью крыла пусковых устройств АПУ-28, которые в процессе производства были заменены на АПУ-13 для управляемых ракет с тепловыми ГСН.
Интересно отметить, что Госиспытания МиГ-21 Ф-13 не проводились, так как его основное оружие – ракеты К-13 – считалось не соответствующим требованиям. (Уже велись работы, правда, с большой задержкой, над усовершенствованной ракетой К-13А с необходимым диапазоном дальностей пуска). Тем не менее, «эф-тринадцатый» стал первым по-настоящему массовым вариантом МиГ-21. До конца 1960 г. завод № 21 выпустил 132 серийных «изделия 74», в 1961 г. – еще 226, в 1962 г. – 155. В том году выпуск машины освоил Московский машиностроительный завод № 30 «Знамя труда», который производил ее еще 3 года. «Изделие 74» с небольшими изменениями выпускалось также в ЧССР (построено 194 машины) и КНР. По ходу производства конструкция МиГ-21Ф-13 несколько изменилась. Так, после выпуска первых 134 самолетов хорды киля стали заметно больше. Самолет был принят на вооружение Постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР № 1133-476 от 27 октября 1960 г.
Серийные истребители МиГ-21Ф-13 с ракетами К-13 были впервые продемонстрированы во время воздушного парада 9 июля 1961 г. в Тушино, после чего в НАТО самолет получил кодовое обозначение Fishbed-C (как и МиГ-21Ф), а ракета – АА-2 «Atoll».
После принятия на вооружение МиГ-21Ф-13 самолеты семейства Е-6 еще долго проходили испытания в рамках различных программ, выступая в роли летающих лабораторий. В частности, на Е-6/2 и Е-6/3 шел поиск оптимального места размещения пусковых устройств ракет. При этом на Е-6/2 макеты ракет крепились на за-концовках крыла с увеличенной хордой. Работа велась в интересах, прежде всего, программы создания нового тяжелого перехватчика Е-152. К.К. Коккинаки до 31 июля 1961 г. выполнил на таком Е-6/2 около 30 полетов. Тщательный анализ их результатов позволил заключить, что новая подвеска имеет ряд преимуществ. Так, по сравнению с подкрыльевой она обеспечивает большую боковую устойчивость истребителя, лучшие разгонные характеристики, высший статический потолок. Тем не менее, испытатели пришли к заключению, что для каждого типа самолета эти выводы нужно уточнять.
Е-6Т/1 был облегчен и использован для побития рекордов скорости и высоты полета. На нем установили новый двигатель Р-11Ф2-300 с повышенной тягой. 31 октября 1959 г. ГК. Мосолов установил на нем рекорд скорости на базе 15-25 км – 2388 км/ч. а на отдельных участках – 2504 км/ч. Самолет был зарегистрирован в ФАИ под открытым обозначением Е-66. 16 сентября 1960 г. К.К. Коккинаки на этой же машине разогнался до 2148,66 км/ч на замкнутом 100-км маршруте (на отдельных участках скорость достигала 2499 км/ч).
