МиГ-21ПФ №76210725 13 мая 1964 г. был представлен на совместные государственные испытания, а концу года к нему присоединился МиГ-21C №95210101, с которого уже успели выполнить семь одиночных пусков телеметрических ракет. В 1964 г. к испытаниям подключили МиГ-21С №95210102. До конца года провели пуски двух телеметрических и одной боевой ракеты в режиме самонаведения. Однако по результатам неудачных пусков двух телеметрической и одной боевой ракеты выявилась необходимость внесения ряда изменений. Недостаточно надежной оказалась и РЛС «Сапфир». По мнению сотрудников микояновской «фирмы», до установки на МиГ-21 ее следовало бы, как и другие станции, предварительно довести на летающей лаборатории – двухместном Як-25, более приспособленном для летных испытаний радиолокаторов.
Процесс отработки К-13Р дополнительно усложнялся тем, что впервые решалась задача создания «радийной» ГСН для ракеты, не стабилизируемой по крену. В головке самонаведения использовалось коническое сканирование антенны. При предстартовой подготовке в ГСН вводилось целеуказание в пределах ±10°.
Работы по К-13Р затянулись, и выпускавшиеся в 1964-1968 гг. самолеты модификации МиГ-21ПФМ пришлось оснащать устаревающей ракетой РС-2УС, несколько модернизировав самолетную РЛС, получившую обозначение РП-21 М.
Испытания продолжились в 1965 г., в течение которого наряду с 15 телеметрическими провели пуски уже и шести боевых ракет. Несмотря на проведенные мероприятия, по-прежнему не удавалось обеспечить приемлемую надежность ГСН.
В следующем году начался первый этап государственных испытаний, в ходе которых выполнили пять баллистических и четыре телеметрических пуска. Кроме того, дополнительно провели пуски восьми боевых и двух телеметрических ракет на малых высотах. Определилась необходимость доработки пусковой установки, в связи с чем был выпущен эскизный проект по модификации АПУ-13У.
Только во второй половине десятилетия РЛС «Сапфир-21» и ракету с полуактивной радиолокационной головкой П АРГ-13 удалось довести. На втором этапе провели пуски 21 боевой ракеты. Совместные государственные испытания завершились в 1966 г., и в сентябре 1967 г. ракета и РЛС «Сапфир-21» были приняты на вооружение под наименованиями Р-ЗР и РП-22С соответственно. Тем не менее пусковую установку продолжили дорабатывать и в следующем году. Кроме того, в ходе эксплуатации проявились несанкционированные срабатывания радиовзрывателя, что потребовало дополнительного объема испытаний, состоявшихся в 1973 г.
При практически тех же показателях досягаемости, что у Р-ЗС. «радийная» ракета была заметно длиннее (3,12 м) и несколько больше по массе. Это объяснялось не только отсутствием задающего уровень американского натурного образца, но и рядом объективных факторов. Другие советские ракеты в «радийном» исполнении тоже имели несколько большие длину и массу в сравнении с модификацией с ТГС.
Ракеты Р-ЗР в сочетании с Р-ЗС стали штатным вооружением выпускавшихся в 1965-1968 гг. МиГ-21C («тип 95»), на которых устанавливался локатор «Сапфир- 21» (РП-22С), а также модифицированных и строившихся в 1969-1974 гг. самолетов МиГ-21СМ («тип 15») и МиГ-21СМТ («тип 50»). Ракеты Р-ЗР подвешивались на внешней паре пусковых установок АПУ-13У, а изделия с тепловыми ГСН – на внутренних пилонах.
Ракеты Р-ЗС и Р-ЗР применялись и на последующих модификациях МиГ-21, в том числе (начиная с 1970 г,) на МиГ-21МФ и на поставляемых за рубеж самолетах. Кроме того, еще в первой половине 1960-х гг. Р-ЗС стали внедрять на МиГ-19, причем не только на исходно ракетоносных перехватчиках МиГ-19ПМ, но и на других вариантах. Эти мероприятия осуществили по совместному решению ВВС и промышленности от 21 января 1963 г. на опытном МиГ -19ПТ с АПУ-ЗС и успешно провели летные испытания. В СССР МиГ-19 с ракетами Р-ЗС широкого распространения так и не получили, однако с успехом использовались в ВВС дружественных стран. Также не получили развития и проведенные в 1976 г. работы по оснащению Р-ЗР истребителя-бомбардировщика С-32М2 (Су-17М2).
Р-ЗС и Р-ЗР стали основным вооружением первых серийных МиГ-23С с РЛС «Сапфир-21», так как разработка предназначенного для МиГ-23 комплекса вооружения с ракетами семейства К-23 и РЛС «Сапфир-23» отстала от работ по самолету-носителю.
Отметим, что судьба «радийного» варианта К-13 оказалась более счастливой в сравнении с американским аналогом – «Сайдуиндером» AIM-9C, созданным чуть раньше, но выпущенном всего в количестве тысячи экземпляров и не получившим широкого распространения. И это при том, что фирме «Моторолла» удалось создать радиолокационную ГСН в габаритах, не превышающих исходную тепловую головку. Возможно, что ограниченное применение этого варианта американской ракеты определилось привязкой ГСН к бортовой РЛС APQ-94, которая устанавливалась только на истребителях F-8 «Крусейдер», к концу 1960-х гг. уже устаревших и постепенно снимаемых с вооружения.