Основными целями Ту-16К-16, как и прежде, были надводные корабли водоизмещением свыше 10 000 тонн и радиоконтрастные наземные объекты. Радиус действия системы находился в пределах 1900–2000 км при дальности пуска ракет 140–150 км, впоследствии доведенной почти до 200 км.
Государственные испытания системы К-16, начатые летом 1958 года, проводил экипаж летчика-испытателя 6-го ГосНИИ ВВС В.В. Зенцова на Ту-16КС, но с доработанной станцией наведения и другими балочными держателями, рассчитанными на более тяжелую ракету. Пуск КСР-2 осуществлялся на скорости 700–800 км/ч и высотах 4000–10 000 метров.
Из шести первых испытательных пусков в июле-сентябре 1958 года на дальность 96 км четыре закончились прямым попаданием в цель. Для этого использовали наземные уголковые отражатели и притопленный на мелководье транспорт «Чкалов».
В этих полетах, несмотря на значительный момент крена, вывести из которого мог только летчик, подтвердилась безопасность отделения одной довольно тяжелой ракеты. Опробовали и посадку носителя с подвешенными КСР-2, но при этом, во избежание аварийной ситуации, агрессивный окислитель приходилось сливать в воздухе.
Казалось, испытания шли неплохо, но когда перешли к пускам ракет на дальность 130–150 км, все они завершились неудачно. Причина – сбои в работе самолетной системы наведения, обнаружилась и ненадежная подача топлива в ЖРД ракеты при длительных отрицательных нормальных перегрузках. Лишь после доработки ракеты и установки на носители новой аппаратуры наведения ракет с РЛС, обнаруживавшей надводный крейсер на удалении до 200 км, удалось достигнуть расчетной дальности поражения целей. Помимо надводных целей, проверили возможность нанесения ударов и по наземным радиоконтрастным объектам типа ГЭС, железнодорожные узлы и отдельные промышленные предприятия. Акт по их результатам утвердили 13 июля 1961 года и в январе следующего года Ту-16К-16 приняли на вооружение.
К освоению Ту-16К-16 морская авиация приступила в феврале 1963 г. Начало ему положил личный состав 540-го мрап 33-го учебного центра. В следующем году к переучиванию приступил 12-й мрап авиации Балтийского флота, а в 1965-м – эскадрилья авиаполка авиации ТОФ. Всего в авиации ВМФ на Ту-16К-16 перешли четыре полка.
Первые пуски ракет осуществили экипажи 33-го центра с 25 октября по 23 ноября 1962 года. С поступлением КСР-2 на вооружение развернулись исследования по снижению высоты пуска ракет. Оказалось, что без особых затруднений и доработок изделие можно применять с высоты 2000 метров, что и опробовали в 1964 году. Спустя три года в НИИ ВВС КСР-2 запускали с еще меньших высот. В апреле 1968 года министр обороны утвердил доработку ракеты (КСР-2М), обеспечивавшую применение ее на высотах от 500 до 10 000 метров.
Таким образом, на вооружение морской авиации поступил уже третий ракетный комплекс, но и он имел существенные недостатки: подвержен радиоэлектронным помехам, и без того небольшая дальность его применения зависела от метеорологических условия, состояния водной поверхности. Несмотря на это, ракета довольно устойчиво наводилась на корабли, а так как ГСН каждой из них настраивалась на свою частоту, то допускалось применение до 20 изделий без взаимных помех.
КСР-2 заправлялся азотно-кислотным окислителем с помощью специальных комплексов, а с 1961 года стали применяться специальные ампульные средства (одна ампула на две ракеты).
Развитие средств ПВО и оснащение ее различными и в больших количествах радиолокационными станциями привело к разработке противорадиолокационных самонаводящихся ракет. Основанием для этого стало постановление правительства, вышедшее в 1957 году.
В апреле 1960 года на Ту-16 № 4111 испытывались системы разведки, целеуказания и уничтожения РЛС, в том числе и комплексов ЗУР, впоследствии вошедшие в состав системы Ту-16К-11. Основой системы стали ракета КСР-11 (КСР-2П) с пассивной радиолокационной ГСН, созданной на базе КСР-2, и самолетная станция разведки целей «Рица». Антенна последней представляла собой перевернутое Т-образное основание с несколькими антеннами. Антенна, установленная на фонаре кабины штурмана, стала отличительным признаком Ту-16, оснащенного противорадиолокационными ракетами.
«Рица» обнаруживала как обзорные РЛС систем ПВО на дистанциях 300–350 км, так и станции орудийной наводки на удалении до 270 км. Дальность захвата целей пассивной ГСН ракеты КСР-11 была выше на треть, чем у противокорабельной. При пусках на предельные расстояния до 200 км после обнаружения целей «Рицей» на ГСН ракеты поступала необходимая информация о параметрах излучающей РЛС и ее направлении.
В первой половине декабря 1961 года макетной комиссии (председатель – генерал-лейтенант С.К. Борзов) предъявили макет Ту-16К-11–16, в качестве которого использовали боевой Ту-16А (заводской № 526908). Этот носитель мог поражать цели и свободнопадающими бомбами в вариантах загрузки Ту-16 и Ту-16А. В следующем году планировалось переоборудовать пару Ту-16А как эталоны.