Испытания постоянно прерывались из-за неполадок в силовой установке. На машине сменили пять двигателей, но ни один из них не работал надежно.
На втором опытном экземпляре Е-152-2 попытались устранить недостатки, выявленные в процессе летных испытаний Е-152-1. Он отличался двумя особенностями. Первая заключалась в том, что для увеличения запаса продольной устойчивости изменили порядок выработки топлива. Вторая – в том, что улучшили систему отсоса пограничного слоя с перфорированной поверхности носового конуса воздухозаборника.
Топливая система самолета, как и на первом опытном экземпляре, состояла из шести фюзеляжных и четырех крыльевых баков общей емкостью 4930 л. Под фюзеляжем также можно было подвешивать один подвесной топливный бак емкостью 1500 л.
Основным элементом системы аварийного покидания самолета являлось катапультируемое кресло СК-2. В качестве основного оборудования использовались (или должны были использоваться, но не были установлены) УКВ-радиостанция РСИУ-5 («Дуб-5»), автоматический радиокомпас АРК-10 («Ин- гул»), ответчик СРО-2М («Хром»), дальномер СОД-57МУ, автопилот АП-39, бортовая аппаратура системы «Смерч» («152- У»), РЛС «ЦП-1» и другие приборы. Вооружение Е-152-2, как и на первом экземпляре, состояло из двух ракет К-9-155, пусковые устройства которых располагались на законцовках крыла.
Е-152-2 поступил на летную станцию 8 августа 1961 года, а 21 сентября состоялся его первый полет. В отличие от первого экземпляра, на машину планировали установить систему вооружения «Смерч» (впоследствии внедренную на перехватчиках Ту-128 и МиГ-25П) с РЛС «ЦП-1». После 16-го полета в начале июля 1962 года испытания, проводимые летчиком ОКБ П.М.Остапенко, были прекращены из-за постоянных неполадок в силовой установке. И на этом самолете двигатель Р15- 300 работал ненадежно. На первом из установленных двигателей произошел прогар лопаток. На втором, третьем и четвертом постоянно происходила утечка масла в полете. В отчете по заводским испытаниям отмечалась надежная работа автоматики подвижной обечайки воздухозаборника.
Е-152М (так называемый Е-166) на выставке в Домодедово, июль 1967 г.
Гоулпа создателей и испытателей «тяжёлых» МиГов. Третий слева – А. И. Микоян.
В полетах поведение самолета было проверено до скорости 2740 км/ч и до высоты 22500 м без подвесок, а также до скорости, соответствующей числу М=2,28 на высоте 18000 м с двумя макетами ракет К-9 на законцовках крыла. Пилотирование самолета Е-152-2 практически не отличалось от пилотирования Е-152-1.
Закрытие программы испытаний ракет К-9 привело к прекращению полетов на Е-152-2. Летные испытания этой машины были выполнены в объеме 60%. Самолет решили переоборудовать в новый вариант Е-152П, который был задуман как базовый самолет для разработки истребителя-перехватчика с более совершенной системой навигации и перехвата.
Е-152П был рассчитан под установку усовершенствованного двигателя Р15Б-300 и внешне отличался от Е-152-2 высоким гаргротом, тянувшимся до основания киля, а также новым фонарем без плоского лобового стекла. Гаргрот увеличили в связи с установкой трех дополнительных накладных топливных баков на фюзеляже за кабиной летчика. Общая емкость топливной системы составляла 6690 л (из них в накладных баках – 1760 л). Под фюзеляжем можно было подвешивать один подвесной топливный бак емкостью 1500 л. Общий максимальный вес топлива (с подвесным баком) достигал 6800 кг.
В отличие от Е-152, эжекторы были заменены сужающимися-расширяющимися соплами, что уменьшило их длину на 253 мм. Хвостовое оперение Е-152П было идентично хвостовому оперению Е-152. Крыло также не отличалось от крыла самолета Е-152 за исключением небольшого аэродинамического гребня на нижней поверхности (на полуразмахе) и расположения ракет на законцовках. Для снижения нагрузки крыло оборудовали двумя законцовками большой площади, что увеличило его размах (по сравнению с крылом Е-152) на 1507 мм. Кроме того, в носовой части фюзеляжа Е-152П установили переднее горизонтальное оперение (ПГО) с размахом 3,50 м, которое предназначалось для улучшения продольной устойчивости при переходе звукового барьера.