Как очередное изделие дубнинской «фирмы», новая ракета получила шифр Д-5. С учетом требований по высокой сверхзвуковой скорости и высотности ракета оснащалась ЖРД и имела характерную схему с обтекаемым фюзеляжем большого удлинения (равного 11,5, в то время как у КСР-2 этот параметр составлял 8,5), коротким треугольным крылом с высокой удельной нагрузкой и крестообразным оперением с цельноповоротными рулями. В основу управления КСР-5 был положен принцип активного самонаведения с помощью радиолокационной ГСН, осуществлявшей управление по курсу и тангажу и программного управления по высоте на траектории. После пуска ракета осуществляла автономный полет с разгоном, набором высоты с выходом в стратосферу, маршевым участком на большой высоте и пикированием при сближении с целью (профиль полета при этом был подобен КСР-2, но с существенным превосходством по высоте и дальности - так, захват цели ГСН КСР-5 осуществлялся с 300 км против 180-200 км у КСР-2). В какой-либо коррекции с борта носителя самонаводящаяся ракета не нуждалась.
Высокие скорости, сверхзвуковые аэродинамические нагрузки и кинетический нагрев потребовали использования новых высокопрочных материалов, с учетом чего конструкция ракеты преимущественно выполнялась из стали с ограниченным использованием алюминиевых и магниевых сплавов.
Опыт разработки Х-22 позволил существенно ускорить создание близкой по конструкции КСР-5. Летные испытания комплекса К-26 начались на двух самолетах в октябре 1964 года. На туполевском опытном заводе №156 под него переоборудовали серийные машины производства казанского авиазавода - Ту-16К-11-16КС №8204022 и Ту-16КСР-2А №5202010, выпущенный почти 10 лет назад. Заводские испытания затянулись почти на два года, и на совместные с заказчиком госиспытания комплекс был выведен только в январе 1967 года. Результаты первого этапа испытаний с пусками по морским и наземным целям были сочтены неудовлетворительными из-за малой точности применения по кораблям, продиктованной недостатками системы управления.
После доработок комплекс К-26 вновь предъявили на госиспытания, в ходе которых были выполнены 87 полетов. К испытаниям привлекли также самолет Ту-16К-26 №4200703, а с конца 1968 года - и переоборудованный из морского ракетоносца Ту-16К-10-26 №1793014 (эта тема была задана ПСМ от 23 июня 1964 года). В ходе испытаний, завершенных к 30 ноября
1968 года, по морскими и наземным целям произвели 13 пусков ракет КСР-5. Пуски выполнялись при скоростях полета носителя 400-850 км/ч и высотах от 500 до 11000 м. При этом дальность пуска существенно зависела от режима полета по условиям обнаружения целей бортовой РЛС и захвата ГСН ракеты. Так, при высотном полете на 11000 м сектор радиообзора был существенно выше, и захват цели происходил на удалении 300 км, при высоте полета 500 м дальность пуска не превышала 40 км. Испытания морских Ту-16К-10-26 продолжались до весны следующего года, после чего 12 ноября
