В соответствии с постановлением от 16 апреля 1958 г. 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 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 внедрение системы автоматизированного наведения истребителей «Воздух-1». Использование директорного, а в дальнейшем и автоматизированного режимов наведения истребителя в сочетании с ракетным вооружением превращало 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 от 3 марта 1958 г. задавалось переоборудование подкомплекс К-51 одного из первых серийных Т-3 (заводской номер 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 суховского носителя ракеты размещались на пусковых установках 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 стремительнее, и после проведения в сентябре-октябре 1958 г. заводских испытаний , а с 20 декабря – совместных государственных испытаний по постановлению от 4 июля 1959 г. совершенствование его ракетоносного варианта СМ-12-51 прекратилось. Дальнейшие работы по Т-3 с К-51 проводились по постановлению от 18 марта 1959 г.
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 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. До начала следующего года удалось выполнить 90 полетов, сбив в восьми пусках четыре Ил-28 и три МиГ-15, упустив один МиГ-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 1960 г. В проведении испытаний участвовал будущий космонавт Г.Т. Береговой и другие летчики-испытатели ВВС – Н.И. Коровушкин, В.Г. Плюшкин, Л.Н. Фадеев, а также пилоты суховской «фирмы» B.C. Ильюшин, А.А. Кознов, Л.Г. Кобещан.
В соответствии с постановлением от 10 октября 1960 г. авиационно-ракетный комплекс перехвата Т-3-51 с принятием на вооружение получил обозначение Су-9-51, самолет – Су-9, РЛС ЦД-30 – РП-9. ракета К-51 – РС-2УС. Комплекс перехватывал цели со скоростями 800- 1600 км/ч на высотах от 5 до 20 км. Радиолокатор обеспечивал обнаружение цели с параметрами Ил-28 на дальности 17 км, захват на сопровождение – на дальности 8-10 км. Пуск ракет производился с дистанции 2-6 км. Вероятность поражения цели на высоте 10- 12 км залпом четырех ракет определялась величиной 0,8-0,9, а на высотах, близких к максимальной, – 0,7-0,8.
По результатам испытаний выявилась необходимость доработки радиолокатора, и в соответствии с решением ВПК от 19 апреля 1961 г. на 120 ранее выпущенных перехватчиках РЛС ЦД-30С заменили на ЦД-ЗОТ.
Перехватчик Су-9, на первый взгляд, как две капли воды похожий на несколько увеличенный истребитель МиГ-21, отличался немного большей скоростью и ощутимо большим практическим потолком, что было особо важно в период безнаказанных нарушений воздушного пространства СССР самолетами U-2. Более крупный, чем МиГ-21ПФ, Су-9 при практически том же радиолокаторе нес больший боекомплект и оснащался всепогодными ракетами семейства К-5М. С учетом специфики типовых целей истребителей Войск ПВО страны – стратегических бомбардировщиков и разведчиков – ограничения по маневрированию при наведении ракет К-5М были не столь критичны, как для самолетов фронтовой авиации.