Практическое опробование РД-1 в качестве дополнительного двигателя-ускорителя решили провести на бомбардировщике Пе-2. Заместитель главного конструктора по летным испытаниям С.П.Королев сделал полный аэродинамический расчет Пе-2 с силовой установкой, состоящей из двух поршневых двигателей ВК-105РА мощностью по 1100 л.с. и РД-1 с тягой в 300 кг. Он показал, что с такой силовой установкой скорость бомбардировщика, правда на короткое время, у земли возрастет до 542 км/ч, то есть на 82 км/ч больше, чем с использованием лишь двух основных поршневых двигателей, на высоте же 7 тыс. м при работе РД-1 в течение 80-100 секунд она увеличится на 108 км/ч. Дополнительная силовая установка может обеспечить сокращение разбега на 70 м и значительно ускоренный набор высоты.

Весной 1943 года начали переоборудование одного из серийных Пе-2. На месте хвостового обтекателя фюзеляжа установили РД-1. Баки с окислителем разместили в бомбовом отсеке фюзеляжа, а с керосином - в корневых частях крыла. При таком расположении топливных компонентов для РД - их общий вес 1050 кг - сохранялась нормальная центровка самолета. Соответственно монтировались вспомогательные агрегаты и прокладывались трубопроводы. Работающий двигатель расходовал в минуту 50 литров кислоты и 25 литров керосина. В камеру сгорания они подавались специальными насосами, для привода которых отбиралась часть мощности основных двигателей. Для них в бензобаки заливалось 700 кг бензина. Всеми работами по переоборудованию бомбардировщика руководили В.М.Мясищев и С.П.Королев. Взлетный вес Пе-2РД - 8200 кг. С двумя бомбами по 500 кг на внешней подвеске - 9215 кг, вес пустого Пе-2РД - 6044 кг.

Экипаж опытного Пе-2 с комбинированной силовой установкой состоял, как и серийного бомбардировщика, из трех человек, но места штурмана и воздушного стрелка-радиста занимали инженеры-экспериментаторы, одним из которых был С.П.Королев. Включать реактивный двигатель мог только летчик, а отключать - любой член экипажа со своего рабочего места. После многократных запусков реактивной установки на земле, подтвердивших надежность работы всех ее систем, 1 октября 1943 года летчик Г.Васильченко выполнил первый полет с включением в воздухе дополнительного реактивного двигателя. За две минуты его работы скорость Пе-2 возросла на 92 км/ч. Испытания опытного бомбардировщика с комбинированной силовой установкой велись по широкой программе и весьма интенсивно, 2 октября РД-1 включили в воздухе уже на 4 минуты. На следующий день испытатели совершили первый взлет с включенной реактивной установкой, а затем еще пять стартов, позволивших определить, на сколько сокращается разбег бомбардировщика и его скороподъемность с включением ЖРД. Разбег составлял всего 446 м.

В ходе испытаний на земле, и особенно в воздухе, был вскрыт ряд недостатков. Наиболее существенный из них - недостаточная надежность системы воспламенения горючей смеси от электрических свечей накаливания, особенно в полете на больших высотах. Конструкторы двигателя учли замечания испытателей. Под руководством В.П.Глушко была разработана система химического зажигания, когда при контакте компонентов топлива происходит их самовоспламенение. После доработок двигатель получил обозначение РД-1ХЗ, (Реактивный двигатель - первый химического зажигания). Возросли его общая надежность и сроки службы. На опытном Пе-2 с комбинированной силовой установкой было выполнено более ста полетов. Они показали, что использование реактивного двигателя, даже в качестве вспомогательного, открывает широкие возможности для увеличения скорости и потолка самолетов, сокращения разбега и улучшения скороподъемности. Опыт применения реактивной установки на самолете Пе-2 был затем использован при разработке скоростных истребителей Ла-7Р, Як-3Р, Су-7 с дополнительными реактивными двигателями РД-1 и РД-1ХЗ.