Для проведения заводских испытаний «Пе-2» с ракетным двигателем была создана комиссия. В нее вошли конструктор двигателя Валентин Глушко и автор реактивной установки Сергей Королёв. Пилотировали экспериментальный самолет штатные летчики-испытатели летно-экспериментальной станции завода № 22: капитан Александр Васильченко и подполковник Александр Пальчиков. Сергей Королёв тоже был включен в летный экипаж в качестве инженера-экспериментатора, что однажды едва не стоило ему жизни.
Испытания в воздухе проводились по широкой программе. Первый полет продолжительностью полчаса предназначался для пробного включения двигателя. Потом предстояли шесть полетов общей продолжительностью почти пять часов для включения в режиме максимальной скорости на разных высотах до 7 км. После этих испытаний экипажу нужно было готовиться к полетам при двукратном включении двигателя и на максимальной скорости. Далее в программе значились полеты с двумя запусками ракетного двигателя на малой высоте. Затем следовали три полета с включением двигателя на взлете, еще два – в режиме набора высоты. Всего планировалось шестнадцать полетов.
В действительности же программа испытаний сильно разрослась и заняла почти два года.
Первый раз самолет «Пе-2» с включенным ракетным двигателем взлетел 1 октября 1943 года. Двигатель работал две минуты, и его выключили, когда самолет вошел в облака. При этом скорость полета увеличилась на 92 км/ч. Через день – повторный полет. Ракетный двигатель включили на скорости 365 км/ч, и он работал три минуты. После этого обороты моторов увеличили, и «РУ-1» тянула еще минуту. И опять все оборудование после полета оказалось в исправности. Ощущения пилота при включении «РУ-1» описаны в отчете: «В первые секунды создавался небольшой кабрирующий момент и ощущалось ускорение. Возникало давление на штурвал, которое легко устранялось летчиком. Условия пилотирования не ухудшались».
4 октября 1943 года экипаж шесть раз поднимался с бетонной полосы при включенной реактивной установке. Она работала каждый раз по минуте и каждый раз сокращала длину разбега. Затем начались систематические полеты, продолжавшиеся до мая 1945 года. Ракетный двигатель включался десятки раз на разных высотах и на максимальных скоростях.
В течение всех испытаний Сергей Королёв, как правило, находился на борту самолета. Иногда «РУ-1» преподносила экипажу сюрпризы. Так, в одном из полетов на высоте 2500 м вышла из строя газовая трубка, в другой раз упало давление в камере сгорания, а как-то двигатель самопроизвольно остановился.
