Тем временем на «346-3» велась наземная отработка силовой установки. В качестве горючего использовалась смесь гидра-зингидрата с метиловым спиртом и водой, а в качестве окислителя 82%-я перекись водорода.
10 мая 1951 г. летчик В. Цизе совершил полет на «346-1», а 16 июня первый полет на «346-3». В обоих полетах, закончившихся вполне благополучно, ЖРД не включался. Из-за поставленных сильных ограничений по скорости, в моторных полетах решили использовать только одну камеру ЖРД с постепенным увеличением запаса топлива. В общей сложности В. Цизе совершил на «346-3» три полета с включением двигателя. В последнем, третьем, полете запас топлива составлял 60% от максимального. В этом полете, состоявшемся 14 сентября 1951 г., «346-3» был отцеплен от Ту-4 на высоте 9300
метров. ЖРД включился на высоте 8500 м, и самолет стал быстро набирать высоту. Сначала летчик, увеличивая угол набора высоты, поддерживал скорость постоянной, но потом она стала расти. На высоте немногим более 12 км скорость превысила 950 км/ч и самолет потерял поперечную управляемость, совершив, по заявлению летчика, самопроизвольный переворот через крыло. Началось неуправляемое вращение. Через некоторое время управление восстановилось и летчику удалось перевести самолет в пикирование. При выводе из пикирования на высоте примерно 7 км самолет вновь вошел в неуправляемое вращение. Летчик, решив, что справиться с самолетом ему не удастся ввиду небольшой высоты, решил воспользоваться средствами спасения и отделил герметическую кабину взрывом болтов крепления. В общей сложности свободный полет «346-3» продолжался чуть более 3,5 минуты.
Примерно 10 секунд кабина беспорядочно падала и кувыркалась, а затем сработал автомат раскрытия стабилизирующего парашюта и кабина стала плавно снижаться, опустив нос и вращаясь со скоростью 1 оборот в минуту. На высоте примерно 3 км произошло катапультирование летчика с ложем и носовым куполом кабины. При снижении на парашюте носовая часть купола ушла вверх, летчик легко соскользнул с ложа и приземлился с помощью собственного парашюта.
Поскольку вся контрольно-записывающая аппаратура погибла вместе с самолетом «346-3», достоверно установить причину аварии так и не удалось. По одной из версий специалистов самолет вошел в неуправляемое вращение, когда его скорость превысила установленное ЦАГИ ограничение и элероны потеряли эффективность. При пикировании скорость самолета стала сверхзвуковой, кризис обтекания остался позади и «346-3» вновь обрел управляемость. После выключения двигателя и последующего выхода из пикирования скорость стала уменьшаться, самолет вновь попал в трансзвуковую область и опять потерял поперечную управляемость.
