В феврале 1960 года вышло Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР, согласно которому ОКБ-155 поручалась разработка самолета Е-155 в вариантах перехватчика (Е-155П) и разведчика (Е-155Р). приказ о начале проектирования новой машины был подписан Генеральным конструктором А.И.Микояном 10 марта 1961 г. К этому моменту военные выдвинули ТТТ на обе основные модификации самолёта. Создание самолёта со столь революционными лётными характеристиками потребовало принятия в процессе его проектирования действительно нестандартных и неожиданных решений. Прежде всего, это касается основного конструкционного материала, в качестве которого была выбрана нержавеющая сталь, а не традиционный алюминий, не выдерживающий высоких температур. Не менее радикально подошли к проблеме образования конструкции, привычную клепку заменив автоматической сваркой. Титановым сплавам, в противоположность американскому Lockheed SR-71, отдали лишь около 8% веса конструкции. Решение оказалось удачным — самолёт получился намного дешевле. В то же время, переход на сталь потребовал значительного переоснащения опытного и серийных заводов, освоения новых технологий сварки, термообработки, нанесения покрытий и т.д., что повлекло за собой множество проблем.

Присущий скоростным полётам кинетический нагрев конструкции потребовал создания эффективных бортовых систем охлаждения и термоизоляции, а также принятия специальных мер для обеспечения работы топливной и гидравлической систем в условиях повышенных температур. В частности, пришлось пойти на использование в качестве основного типа топлива термостабильного керосина Т-6 с предварительным азотированием и заполнением надбакового пространства газообразным азотом, внедрение мощной (свыше 200 л) водно-спиртовой системы охлаждения генераторов, РЛС, станции постановки активных помех, КВ-радиостанции, использование многоступенчатой системы охлаждения воздуха, широкое применение серебра для нанесения на теплоотражающие экраны.

Для Е-155 выбрали схему высокоплана, также впервые в практике ОКБ. Исходили из удобства подвески под таким крылом больших ракет класса «воздух-воздух» и хорошего сочетания с прямоугольными воздухозаборниками. Продувки моделей самолета в ЦАГИ показали возможность получения достаточного аэродинамического качества такого крыла при полетах на скоростях М=2,..3. Отказ от лобового воздухозаборника позволил сократить длину фюзеляжа, уменьшить его мидель и омываемую поверхность, разместить внутри большое количество топлива. Боковые прямоугольные воздухозаборники ковшеобразного типа с регулирующими элементами оказались, как показал опыт эксплуатации, очень удачными. В довольно большую проблему вылилось проектирование основных опор шасси, чтобы обеспечить приемлемую колею и, в то же время, компактно убирать стойки с колесами в фюзеляж.

Много новшеств пришлось внести и в бортовое оборудование и вооружение. По инициативе Летно-исследовательского института (ЛИИ) и Всесоюзного научно-исследовательского института радиоэлектроники и автоматики (ВНИИРА) началось создание единой для перехватчика и разведчика пилотажно-наеигационной системы «Полет», обеспечивавшей автоматический полет по заданному маршруту, возврат и заход на посадку. Все навигационное оборудование должно было работать в едином комплексе с помощью либо аналогового счетно-решающего прибора, либо одной из первых бортовых цифровых вычислительных машин «Пламя-ВТ». Предполагалось обеспечить точность самолетовождения до 5 км, точность выхода на цель 1-2 км, точность определения скорости полета 0,5%. Кроме того, специально для установки на Е-155П начали разработку системы наземного наведения «Воздух-1», впоследствии много лет стоявшей на вооружении ПВО стран Варшавского договора.

Для Е-155Р решили создать принципиально новую навигационную систему «ПеленГ», обеспечивавшую не только решение задач навигации, но и автоматическое и полуавтоматическое самолетовождение по заданному маршруту, а также управление средствами разведки. Работа «Пеленга» корректировалась инерциапьной системой с цифровой вычислительной машиной, сопряженной с автопилотом, причем вычислитель включался в контур автомагического управления самолетом. На самолете такого класса все это делалось впервые. Кроме того, разведчик задумали укомплектовать различными сменными вариантами новых видов разведывательной аппаратуры, которых первоначально предлагалось целых восемь. Они предназначались для дневной и ночной фоторазведки, общей и детальной радиотехнической, а также инфракрасной разведки.

В марте 1961 г ВВС сформулировали уже конкретные задачи, возлагаемые на Е-155Р; разведка боевых позиций ракет, складов ракет и боеприпасов, военно-морских баз, портов, кораблей, железнодорожных узлов, аэродромов, радиотехнических центров, транспортных средств, боевой техники, переправ и мостов. В этой связи состав оборудования претерпел изменения, а требования к его параметрам были ужесточены. Точность определения координат малоразмерных целей теперь должна была составлять 100-150 м, целей увеличенной площади — 300-400 м. Точность выхода на объект разведки задавалась в пределах — 0,2-0,3 км. Такая конкретика позволила свести количество возможных вариантов самолета до трех основных: для аэрофоторазведки и обшей радиотехнической разведки, для детальной радиотехнической разведки, для радиолокационной разведки. Основным режимом работы Е-155Р должен был стать высотный сверхзвуковой полет, который в те годы гарантировал сравнительно высокую вероятность преодоления ПВО противника.

Одним из наиболее важных последствий отказа от низко- и средне высотной разведки стала необходимость создания специального фотоаппарата с увеличенным фокусным расстоянием объектива. Такая камера — АФА-70 — была создана Красногорским оптико-механическим заводом в начале 1960-х гг. Она представляла собой принципиально новый двухблочный четырехобъективный аэрофотоаппарат с несимметричными оптическими осями. Когда его сравнили с аналогичной системой, снятой со сбитого под Свердловском самолета U-2, оказалось, что советское изделие находится вполне «на уровне».

Окончательно состав оборудования самолетов Е-155 был определен 20 января 1962 г, когда вышел уникальный в своем роде объединенный приказ по Государственному комитету авиационной техники, Государственному комитету радиоэлектроники и Государственному комитету по оборонной технике.

Работа над аванпроектом Е-155 завершалась, Перед тем, как «заморозить» облик самолёта, конструкторы проработали целый ряд альтернативных компоновок, в том числе с дополнительными подъемными двигателями РД36-35 и с крылом изменяемой стреловидности. Окончательно определились с составом экипажа разведчика — первоначально предполагалось, что он будет состоять из двух человек, но затем вместо кабины штурмана в носовой части фюзеляжа решили установить дополнительные станции радиотехнической разведки. Хотя основным рабочим режимом разведчика оставался полёт в стратосфере, необходимость в разведывательных действиях на средних и малых высотах все же существовала. Поэтому в 1961 г. рассматривалась возможность запуска с Е-155 маловысотного беспилотного до разведчика Х-155ДР, а несколько позже — ДПЛА «Кречет». Развединформация должна была передаваться с борта ДПЛА на Е-155Р, а затем ретранслироваться на наземный командный пункт. Параллельно достаточно подробно проработали проект Е-155Н — носителя баллистической ракеты массой до 7,5 т с ядерной боевой частью. Тогда эта идея развития не получила, однако к ней пытались дважды вернуться в конце 1970-х гг.

Постепенно конструкция и системы самолета «вырисовывались» все более и более детально. Эскизный проект был закончен в 1961 г, а в следующем уже заседала макетная комиссия по разведчику, опытный экземпляр которого следовало построить первым. Так определило очередное Постановление ЦК КПСС и Совмина СССР, изданное в начале 1962 г. На основании этого документа были сформированы окончательные редакции тактико-технических требований к разведчику (сентябрь 1962 г) и перехватчику (июнь 1963 г).

В этот период развернулась масштабная отработка элементов оборудования будущего самолета на летающих лабораториях, что было новым словом в практике ОКБ-155, т.к. раньше пилотируемые ЛЛ использовались микояновцами лишь для отработки силовой установки и аппаратуры беспилотных ЛА. На Е-150, Е-152 и Е-152М доводились двигатели Р15Б-300. На двух Ту-104 испытывали навигационную систему «Пеленг» и многое другое оборудование. На еще одном Ту-104 и опытном Ту-110 отрабатывали РЛС и радиолокационные ГСН ракет. Один из МиГ-21 переоборудовали для отработки навигационной системы «Полет», Эти ЛЛ эксплуатировались достаточно долго, даже тогда, когда Е-155 уже был готов. Венцом этих поистине титанических усилий стала подготовка к серийному производству Е-155 в цехах Горьковского авиазавода, строившего почти все предыдущие модели «МиГов».

На постройку первого опытного разведчика Е-155Р-1 ушел год. Отстроившихся впоследствии серийных самолётов он отличался нулевым углом установки крыла, килями меньшей площади без бустеров рулей направления, двумя несбрасываемыми топливными баками общей емкостью 1200 л на законцовках крыла, а также отсутствием разведаппаратуры, средств РЭП, навигационных систем «Пеленг» и РСБН, коротковолновой связной радиостанции, САУ. Но в этом ничего страшного не было, ведь машина предназначалась лишь для снятия летных характеристик, отработки аэродинамической схемы, а также ряда самолетных систем.

К задней нижней части крыльевых баков, которые одновременно выполняли роль противофлаттерных грузов, крепились трапециевидные плоскости, отклоненные от вертикали во внешние стороны на небольшой угол. По расчетам и продувкам, наличие этих поверхностей позволяло увеличить путевую устойчивость и уменьшить поперечную, чем компенсировать недостатки схемы высокоплана. Предполагалось также, что эти поверхности помогут увеличить аэродинамическое качество. Испытания, однако, ничего подобного не выявили, поэтому поверхности, да и сами концевые баки убрали. В передней части воздухозаборника Е-155Р-1, как и на нескольких последующих прототипах самолёта, были предусмотрены места для установки переднего горизонтального управления, которое предназначалось для улучшения управляемости на больших скоростях. В процессе испытаний от этой идеи тоже отказались.

Прототип окрасили в светло-серый цвет, а переднюю часть фюзеляжа — в черный. Борта машины украшал необычный четырехзначный номер красного цвета «1155», что означало: первый самолет изделия Е-155. В декабре 1963 г самолет перевезли из цеха машиностроительного завода «Зенит» (так называлось ОКБ А.И. Микояна) на аэродром летно-испытательной станции в Жуковском. Под руководством В.А.Архипова и Л.Г.Шенгелая опытную машину подготовили к первому вылету. Общее методическое руководство процессом, помимо Генерального и главного конструкторов, осуществляли руководители отдела летных испытаний ГА. Седов и К.К. Васильченко. До начала весны 1964 г самолёт проверяли на земле, а 6 марта шеф-пилот фирмы А.В.Федотов поднял Е-155Р-1 в воздух, чем начал заводские испытания машины. Вскоре на самолёте вылетел П.М. Остапенко. Эти два пилота на начальном этапе испытаний выполнили основной объем летной работы.

Первые полеты разведчика Е-155Р прошли успешно, однако при подходе к звуковому барьеру возникла сильная «валежка» самолета, не устраняемая даже полным отклонением элеронов. Чтобы не тормозить испытания, летчики предложили специальный маневр: еще при приближении к скорости звука машину предварительно кренили в сторону, противоположную «валежке». При прохождении звукового барьера крен как бы автоматически устранялся. Оказалось, что при дальнейшем увеличении скорости управляемость по крену восстанавливается. Для ОКБ это не было новым явлением — оно отмечалось на МиГ-15, МиГ-17, МиГ-19 и явно говорило о необходимости конструктивных доработок.

Следующей выявили проблему повышенных колебаний крыла при частичной выработке топлива из концевых баков. Оказалось, что их провоцирует… керосин, который свободно плещется в полупустых емкостях. Решение проблемы нашли простое и эффективное — отказались от баков. При скоростях, близких к предельным, столкнулись сразу с несколькими проблемами: неустойчивым горением в форсажной камере, образованием так называемой «пелены» пограничного слоя на входе в воздухозаборник, что приводило к увеличению сопротивления и повышенной тряске. Взлетный вес Е-155Р-1 оказался выше расчетного, так же как и расход топлива при наборе высоты. Все это не позволило получить требуемую дальность полета.

В 1965 г построили второй опытный разведчик Е-155Р-2, уже не имевший концевых топливных баков. К тому времени были построены и также проходили испытания два опытных перехватчика Е-155П, что позволило значительно ускорить доводку самолёта в целом. В испытаниях стали принимать участие летчики ЛИИ и ГНИКИ ВВС, а также Горьковского авиазавода. Спектр проблем, которые приходилось решать, все ширился. Например, не выдерживала аэродинамического нагрева краска, и после ряда полетов на предельных режимах о первоначальном цвете звезд можно было только догадаться. Пришлось разработать специальные термостойкие краски с высокой отражающей способностью. Всего в процессе заводских испытаний опытных разведчиков и перехватчиков было выполнено около 200 полетов. Полученные ЛТХ, в основном, удовлетворяли требованиям ВВС. Диапазон высот и скоростей был полностью проверен, удалось обеспечить необходимую устойчивость и управляемость. Однако Государственные испытания разведчика и перехватчика пришлось проводить раздельно — слишком отличались между собой их программы.

Так как мощности опытного производства ОКБ в Москве не позволяли изготовить необходимое количество прототипов, установочные партии разведчиков и перехватчиков выпускались в Горьком. Третий прототип разведчика (Е-155Р-3, бортовой номер «3155» красного цвета), построенный на Волге в 1965 г., был полностью укомплектован штатным оборудованием, Сроме того, от первых прототипов он значительно отличался по конструкции. Помимо ликвидации топливных баков на законцовках и размещения на их месте противофлаттерных грузов, изменили угол установки крыла до +2′ и увеличили кили, перекомпоновав расположенные на них антенны. Под фюзеляжем подвесили бак емкостью 5300 л, длина которого превышала половину длины самолета. Такой огромный подвесной резервуар с топливом впервые применялся в практике советского самолетостроения.

Совместные Государственные испытания Е-155Р проводились, в основном, силами ГНИКИ ВВС в Ахтубинске. Бригаду института, занимавшуюся испытаниями разведчика, возглавлял п-к Румянцев, ведущим летчиком был п-к А.С. Бежевец. Испытатели искали ответы на такие сложные вопросы, как влияние пограничного слоя воздуха и скачков уплотнения на качество получаемых фотоизображений; влияние циклических тепловых нагрузок на прочность остекления фотолюков; влияние теплового потока на фотоаппаратуру; возможность передачи неискаженного изображения через остекление, нагретое до 250°С; влияние вибраций и т,д. Любая из этих причин могла привести к существенному падению разрешающей способности установленной на самолете длиннофокусной оптики. Опасения основывались на опыте эксплуатации высотных разведчиков Як-25Р, разрешающая способность фотоаппаратуры на которых составляла всего 10 линий/мм (на земле этот параметр был в три раза лучше).

В ходе этих полетов конструкцию фотоустановки доработали: в саму камеру ввели инваровые стержни, обеспечившие снижение напряжений в оптических деталях (инвар — специальный сплав с таким же коэффициентом температурного расширения, как у стекла). Предложенная инженером В.К.Хоменко схема плавающего крепления остекления к силовому люку позволила избежать в нем термических напряжений, а расположение фотоаппаратуры в носовой части фюзеляжа дало возможность вести съемку через относительно тонкий пограничный слой воздуха. В итоге разрешающую способность оптики в полете удалось поднять до 30 линий/мм. На практике это означало, что с высоты 20 км можно сфотографировать объект размером 30 см. Исследовалась возможность аэрофотосъемки и с меньших высот при дозвуковой скорости полета. Выяснилось, что без всяких регулировок фотооборудования получение качественного изображения обеспечивается с высоты 10 км и даже 6 км.

Эталоном для серийного производства разведчика стал второй самолёт установочной партии Е-155Р-4 (красный бортовой номер «024»). На нем прошли испытания навигационные системы «Пеленг-С» и «Полет-1И», средства радиопротиводействия и связи. Особые трудности возникли с «Пеленгом» по причине низкой надежности работы его вычислителя. Формально по результатам испытаний систему должны были забраковать, но представители промышленности сумели доказать, что надежность можно увеличить в процессе эксплуатации. В связи с тем, что ВВС срочно нуждались в новом разведчике, начальник Управления по испытаниям авиационного оборудования А.А, Польский принял трудное, но правильное решение рекомендовать самолёт с системой «Пеленг-С» в серию. Не испортила общей картины и авария Е-155Р-5 во время сдаточного полета 30 августа 1968 г в Горьком (летчик Л ,И. Миненко остался жив, но был травмирован), Всего же в заводских и Государственных испытаниях участвовали четыре опытных разведчика. Статической проверки на прочность подвергли планер без силовой установки. Госиспытания Е-155Р завершились в 1969 г — в конце года соответствующий Акт подписал начальник разведки ВВС генерал-майор Силин, и самолёт запустили в серию под названием МиГ-25Р.