В постройку заложили два опытных экземпляра самолета Е-152 и один экземпляр Е-152А. Первым, еще в 1959 году, закончили сборку перехватчика Е- 152А (машина имела красный бортовой номер «152А»), Как уже упоминалось, крыло Е-152А по своим геометрическим размерам и конструкции было аналогично крылу Е-150 за исключением изменений в корневой части за вторым лонжероном, вызванных расширением двигательного отсека. Консоли стабилизатора были также аналогичны консолям стабилизатора Е-150, поэтому общий размах горизонтального оперения получился большим. Для улучшения посадочных характеристик Е-152А имел три хвостовых тормозных щитка (один под фюзеляжем, два по бокам) и один двухкупольный тормозной парашют. Топливная система состояла из шести фюзеляжных баков, двух крыльевых, и одного бака, располагавшегося между створками основных стоек шасси (общая емкость составляла 4400 л). Система катапультирования предусматривала защиту летчика фонарем. В состав основного радиооборудования входили УКВ-радиостанция РСИУ-4В, радиокомпас АРК-54Н, приемопередатчик системы госопознавания СРО-2, станция «Метеор» и т.д.
Было принято решение установить на Е-152А новую бортовую РЛС «ЦП-1», созданную по предложению ЦКБ «Алмаз». Станция представляла собой значительно более эффективный радиолокатор с дальностью обнаружения крупноразмерной цели (бомбардировщика) до 45-50 км (вместо 17 км у станции «Ураган-5Б»), ЦКБ «Алмаз» одновременно разрабатывало аппаратуру для полуактивной головки самонаведения ракеты К-9. В конструкции РЛС впервые широко использовались полупроводники. На самолете Е-152А с радиолокатором «ЦП» были сопряжены счетно-решающее устройство СРП и автопилот.
В связи с установкой хорошо отработанных в производстве двигателей эта машина оказалась подготовленной к испытаниям даже раньше, чем Е-150. Ее подготовку к летным испытаниям завершили в июне 1959 года. 10 июля первый полет на ней выполнил Г.К.Мосолов. Заводские испытания, завершенные 6 августа 1960 года, дали следующие результаты: максимальная скорость на высоте 13700 м составила 2135 км/ч, а на 20000 м – 2500 км/ч, практический потолок достигал 19800 м. Высоту 10000 м самолет набирал за 1,48 минуты, а 20000 м – за 7,64 минуты. С пилонами была достигнута скорость 1650 км/ч на высоте 13000 м. В процессе испытаний было проведено 10 запусков двигателей в воздухе на высотах от 6000 м до 10500 м. Во всех случаях двигатели запускались с первой попытки за 15-25 секунд. Максимальный взлетный вес с двумя ракетами К-9 составлял 13600 кг, а с дополнительным подфюзеляжным подвесным баком на 600 л – 13960 кг. Заводские испытания проводили летчики Г.К.Мосолов и А.В.Федотов. В общей сложности было выполнено 55 полетов, из них 51 полет – без подвесных пилонов, два – с пилонами, еще два – с макетами ракет К-9.
Самолет Е-152А, продемонстрированный в полете на авиационном празднике 1961 года в Тушино, некоторое время пользовался пристальным вниманием экспертов НАТО, присвоивших ему кодовой наименование Flipper (ласт, плавник) за расширенную форму хвостовой части с большими подфюзеляжными гребнями.
16 марта 1961 года на летную станцию прибыл первый опытный экземпляр перехватчика Е-152. Согласно правительственному заданию, истребитель предназначался для перехвата и уничтожения самолетов противника, летящих со скоростями до 1600 км/ч на высоте 10000 м и со скоростями до 2500 км/ч на высоте 20000 м и выше на встречно-пересекающихся курсах.
С учетом рекомендаций летчиков-испытателей ОКБ- 155 А.В.Федотова и Г.К.Мосолова, проводивших летные испытания опытных Е-150 и Е-152А, а также материалов испытаний, на самолете пришлось ввести целый ряд конструктивных изменений по сравнению с первоначальным вариантом эскизного проекта. Площадь крыла Е-152 увеличили с 34 до 40 м
Изменение конструкции крыла позволило увеличить колею шасси, что обеспечивало повышение устойчивости самолета при маневрировании на аэродроме. Путевую устойчивость самолета решили повысить увеличением хорды киля и площади подфюзеляжного гребня (таким образом повышалась общая эффективность вертикального оперения). В нижней части фюзеляжа располагался один тормозной щиток, а в хвостовой части (в корне подфюзеляжного гребня) – контейнер с тормозным парашютом типа ПТ-5605- 58.
Все рулевые поверхности имели гидравлическое управление. Гидросистема работала на гидросмеси АМГ-10 при давлении 210 атмосфер.
Первый установленный на самолете двигатель Р15-300 развивал тягу на максимальном режиме до 6620 кг, на форсаже – 9935 кг. Е-152, как и Е-150, для резкого кратковременного повышения тяги был оборудован эжектором. Топливо размещалось в шести фюзеляжных, а также передних и задних крыльевых баках. Общая емкость топливной системы составляла 4930 л. Под фюзеляжем мог подвешиваться дополнительный бак на 1500 л.
Е-152 имел такую же конструкцию воздухозаборника, как и Е-152А. На цилиндрическом основании конуса располагалась перфорированная зона для слива пограничного слоя с целью повышения коэффициента восстановления полного давления перед компрессором. Система катапультирования обеспечивала защиту летчика фонарем.
Первый опытный экземпляр перехватчика Е-152-1 (машина имела красный бортовой номер «152-1») перевезли из сборочного цеха опытного производства на испытательный аэродром 16 марта 1961 года. Перед первым полетом вместо РЛС в носовой части фюзеляжа установили центровочный груз весом 263 кг. 21 апреля самолет впервые поднял в воздух Г.К. Мосолов. С 21 апреля 1961 года по 8 января 1962 года, а затем с 20 марта по 11 сентября 1962 года было выполнено 67 полетов, из них 51 полет – без ракет, пять полетов (30-й и с 39-го по 42- й) – с макетами ракет К-9, и 11 – без концевых АПУ. Все взлеты перехватчика выполнялись при включенном форсаже. В четвертом полете центровочный груз не устанавливался.
Испытания перехватчика Е-152М с макетами ракет К-80, 1961 г.
