В ходе наземной отработки и испытаний выявилась возможность увеличения дальности пуска ракет К-13 по дозвуковым целям. Однако для расширения зоны пусков потребовалось увеличить продолжительность работы бортового источника питания. Ракета с доработанным газогенератором впоследствии получила наименование К-13А. Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 22 августа 1959 г. 999-486 об улучшении тактико-технических характеристик ракеты предусматривалось обеспечить диапазон дальностей пусков 0,4-7,6 км, высоту боевого применения до 21,5 км и возможность применения под курсовым углом до 65-70 . Наряду с боевой ракетой - "изделием 310", для испытаний были подготовлены пусковые ракеты "312" и аэродинамические "301А".

В начале 1960 г. усовершенствованные ракеты были представлены на совместные испытания, в ходе которых в качестве целей на этапе облетов использовались пилотируемые МиГ-19, Ту-16, Ил-28 и новейшие по тому времени МиГ-21 и Т-3 (Су-9), а при проведении фактических пусков - беспилотные мишени на базе МиГ-17 и Ил-28. В августе испытания завершились подписанием акта  40 ГК НИИ ВВС с рекомендацией о принятии К-13А на вооружение совместно с самолетом МиГ-21.

Испытания велись на самолетах Е-6Т, опытных перехватчиках Е-7/3 и Е-7/4, а также на одной из первых "спарок" Е-6У/2. Привлекался к летной отработке и Е-6В/2, что закончилось драматически. На взлете произошел взрыв левой подвески, но летчик успешно катапультировался.

Первым серийным носителем К-13 стал МиГ-21ф-13, сохранивший, хотя и в наполовину урезанной комплектации, пушечное вооружение от МиГ-21ф - машин первых серий. Уже в июле горьковский завод  21 выпустил первую серию ракетоносцев. Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 27 октября 1960г.  1133-476 этот самолет был принят на вооружение. Характеристики основного вооружения МиГ-21 - ракеты К-13, при этом не определялись, так как работы по ее усовершенствованному варианту К-13А с требуемым диапазоном дальностей еще продолжались, притом с задержкой по отношению к плановым срокам. Постановлением также предписывалось ускорить работы по перехватчику МиГ-21ПФ.

Еще в конце 1960 г. для проведения испытаний ракет был выделен один из двух опытных перехватчиков МиГ-21П - Е-7/2. Летчиком - испытателем назначили П.М. Остапенко. Так как перехватчик и так уже был перегружен размещением весившего треть тонны радиолокатора РП-21 (ЦД-30Т), при установке ракет пошли на полную ликвидацию пушечного вооружения. По Постановлению Правительства от 24 января 1961 г. наряду с указанием на необходимость ускорения работ по усовершенствованному варианту К-13 разрешалось в первом полугодии продолжить приемку ракет со старым газогенератором.

К июню 1961 г. провели 32 пуска усовершенствованных ракет, в ходе которых сбили пять МиГ-17 и один Ил-28. В конце месяца Государственные испытания завершились.

При официальном принятии на вооружение МиГ-21ПФ Постановлением от 2 марта 1962 г. 229-1 1 I были определены и основные характеристики К-13А, получившей наименование Р-ЗС ("ракета третья - самонаводящаяся"), в частности, дальность пусков от 1 до 7,6 км, высота целей - до 21,5 км, ракурсы пусков в задней полусфере до 3/4 в горизонтальной плоскости и до 1/4 - в вертикальной.

В те же годы отрабатывалось и применение К-13 на Су-9 в составе комплекса Т-3-13. В 1961 г. в небе испытывался Т-43-5 с К-13, размещенными на пусковых устройствах на законцевках крыла. Однако более подходящими для Су-9 сочли самонаводящиеся ракеты аналогичного назначения К-88 или К-55, отрабатывавшиеся с начала шестидесятых годов и обладавшие большей степенью унификации со штатным оружием этого перехватчика - К-51. К сожалению, отработка новых ракет затянулась и боекомплект Су-9 пополнился самонаводящимися К-55 только к концу десятилетия.

Компоновка ракеты К-13А стала классической для ракет малой дальности с тепловыми ГСН. Ракета состояла,из 5 отсеков, первым из которых являлась ГСН "451-К". Во втором, рулевом. отсеке располагался блок в составе газогенератора, турбогенератора и рулевых машин, задействующих аэродинамические рули, попарно связанные между собой в одной плоскости прямой, а в другой - коленчатой осями. На заднем торце отсека крепился предохранительно-исполнительный механизм (ПИМ), который при сборке ракеты входил во внутреннюю полость осколочной боевой части, образующей третий отсек. Конструкция боевой части (с эффективным радиусом поражения 3 м) обеспечивала при ее подрыве образование около тысячи примерно равных по массе осколков.

Далее, в четвертом отсеке, находились контактный взрыватель И-107, оптический неконтактный взрыватель (НВ) "454-К". Датчики контактного взрывателя выполнили в крыльевом исполнении, обеспечивающем подрыв боевой части и при отсутствии прямого соприкосновения корпуса ракеты с целью. Двигатель ПРД-80А снаряжался вкладным зарядом цилиндрической формы с центральным каналом в форме восьмилучевой звезды из нитроглицеринового топлива НМФ-2К массой 21,2 кг. На верхней наружной поверхности корпуса двигателя по его оконечностям и в начале зоны установки крыла находилось по бугелю в виде противоположно направленных Г-образных элементов. Применение трех ярусов узлов подвески вместо традиционных двух обусловливалось стремлением ограничить динамические возмущения после схода с направляющих ракеты с исключительно большим удлинением корпуса.

Каждая консоль крыла фиксировалось 5 парами винтов, вставляемых в паз узла крепления, приваренного к корпусу РДТТ.

При подвеске на носитель осуществлялась электрическая стыковка бортовых и самолетных систем. Подача электропитания с носителя еще до взлета самолета обеспечивала подогрев газогенератора и работу ГСН. Обнаружив противника, летчик осуществлял прицеливанием корпусом самолета. Отклонение продольной оси самолета от направления на цель не должно было превышать несколько градусов, так что динамика воздушного боя с применением ракет не слишком отличалась от классической "пушечной". При захвате цели на сопровождение ГСН в наушниках раздавался звуковой сигнал. Бортовая аппаратура носителя - радиодальномер или РЛС - обеспечивала определение удаления до цели, на основании которого автоматически определяла зоны возможных пусков. При входе в эту зону на приборной доске высвечивался соответствующий световой сигнал, а при последующем неприемлемом сближении с целью - сигал "отворот". Помимо дальности до цели проведение пуска ограничивалось маневренными возможностями ракеты. В качестве критерия возможности поражения маневрирующего самолета противника принималась величина перегрузки носителя при отслеживании цели. В том случае, если она превышала "двойку", ракета, скорее всего, не смогла бы настичь цель и ПУСК воспрещался. На высотах более 12 км маневренность ракеты падала и пуск нельзя было осуществить уже при перегрузке носителя, равной 1,6.

При нажатии кнопки "пуск" запускался газогенератор ракеты, а затем - маршевый двигатель. Система стабилизации задействовалась через 0,5-0,7 сек после схода ракеты с направляющей. Наведение осуществлялось по методу пропорциональной навигации. Подрыв боевой части производился по сигналу неконтактного взрывателя или от контактных датчиков, размещенных на аэродинамических рулях. В случае промаха ракета самоликвидировалась.

Обеспечивалась также возможность применения ракет по наземным целям - самолетам на стоянках с работающими или неостывшими двигателями, локомотивам, катерам и другим теплоизлучающим объектам, при этом для повышения эффективности срабатывания боевой части неконтактный взрыватель перед пуском отключался.

Наряду с боевым изделием "310" была освоена использовавшаяся в качестве цели при учебных пусках боевых ракет мишень - "317", отличавшаяся упрощенной комплектацией с отсутствием рулей.

Для отработки навыков наведения на цель и осуществления предпусковых операций выпускались также учебные ракеты Р-ЗУ - макеты, оснащенные реальными головками самонаведения. Целям снижения стоимости проведения боевой подготовки служили и появившиеся много позднее практические ракеты Р-ЗП, выпускавшиеся без штатной боевой части, что позволяло провести пуски нескольких ракет по одной мишени.

Кроме того, в первой половине шестидесятых годов была осуществлена разработка еще двух вариантов ракеты. В соответствии с приказом Председателя Госкомитета по авиационной технике была спроектирована и отработана модификация ракеты для производства по упрощенной технологии военного времени - К-13ВВ. Кроме того, как следствие "синдрома U-2" - проявившейся в пятидесятые годы неспособности отечественных средств ПВО перехватить высотные разведчики США - и появившейся информации о разработке американцами еще более совершенного "воздушного шпиона" - будущего SR-71 - Решением ВПК от 4 апреля 1964 г.  217 была задана разработка варианта ракеты повышенной высотности - К-13В. Обе темы были успешно завершены, но не нашли практического приложения - больших войн, слава Богу, не состоялось, а охота за SR-71 была поручена не МиГ-21, а более солидным зенитным и авиационным ракетным комплексам перехвата.