Из перспективных РЛС на перехватчик планировали установить разрабатываемые станции РП-СА "Смерч-A" и "Гроза-100". Модернизированный "Смерч" имел дальность обнаружения цели до 100 км и дальность захвата 60-70 км. В то же время ОКБ М.Р.Бисновата работало над ракетой К-80М с дальностью пуска до 32 км. С учетом новых разработок ОКБ-156 приступило к проектированию нового комплекса перехвата под обозначением Ту-28А-80. Одновременно велись проработки перехватчика под РЛС "Гроза-100" и ракеты К-100 со значительно более высокими характеристиками (этот комплекс получил обозначение Ту-28А-100).
В рамках этих работ в 1962-1963 гг. под руководством Егера разрабатывался новый носитель Ту-28А с двигателями ВД-19, применение которых предполагалось еще на начальном этапе создания перехватчика. Ту-28А в общих чертах повторял исходную машину, но в связи с установкой более мощных двигателей с увеличенным расходом воздуха на нем изменили форму воздухозаборников и сечение воздушных каналов. Центральные тела на входе воздухозаборников меняли теперь свое положение не скачками, а плавно, т.к. максимальная расчетная скорость с ракетами должна была достигать 2000 км/ч. В связи с установкой новых двигателей несколько увеличилось сечение хвостовой части фюзеляжа, из-за новой РЛС удлинялась его носовая часть, появились подфюзеляжные гребни по типу установленных на опытном Ту-28.
Фонарь кабины экипажа Ту-128 (колпаки открыты)
Колпаки фонаря закрыты
В феврале-марте 1964 г. в комплекте с воздухозаборниками согласно проекту Ту-28А двигатель ВД-19 прошел стендовые испытания, а в 1965 г. на ЛИиДБ ОКБ-156 начались его испытания в реальных условиях на летающей лаборатории, созданной на базе перехватчика Ту-128. Фактически Ту-128ЛЛ должна была стать прототипом Ту-28А, хотя на этой машине в связи с отсутствием реальной станции "Смерч-A" стоял ее весовой макет. Испытания показали, что максимальная скорость без внешних подвесок увеличилась всего лишь на 110-120 км/ч, а заветные 2000 км/ч практически не достижимы из-за возрастания аэродинамического сопротивления, вызванного увеличением миделя самолета. Таким образом, установка ВД-19 на Ту-128 была признана неперспективной, что в сочетании со значительной задержкой работ по новым РЛС послужило причиной прекращения работ по комплексам Ту-28А;80 и Ту-28-100.
Во второй половине 60-х гг. в связи с изменением тактики средств воздушного нападения потенциального противника (переход на действия с малых и предельно малых высот) акценты в задаче совершенствования комплекса дальнего перехвата несколько сместились. Предварительные поисковые работы привели к созданию совместной с заказчиком программы перспективного развития туполевских перехватчиков, состоящей из трех этапов. На первом требовалось снизить нижний предел высоты боевого применения с 8-10 км до 0,5-1,5 км и повысить помехоустойчивость радиолокационной головки самонаведения ракеты Р-4Р. На втором — увеличить высоту полета перехватываемой цели с 21 км до 23-25 км, поднять суммарную скорость сближения с уничтожаемой целью на встречно-пересекающемся курсе с 2000 км/ч до 3000 км/ч, расширить зону возможных пусков ракет при минимальной высоте боевого применения до 60°, еще больше повысить помехозащищенность системы радиоуправления головки самонаведения ракеты, расширить возможности автономных и полуавтономных действий,увеличить с 50 км до 90-100 км дальность обнаружения цели, с 35-40 км до 65-70 км дальность захвата, с 20-25 км до 35-40 км дальность пуска ракет и с 7-8 км до 10- 12 км превышение по высоте поражаемой цели. На третьем этапе внимание разработчиков комплекса предполагалось полностью сосредоточить на самолете-носителе. Его скорость с ракетами собирались поднять до 2100-2400 км/ч, улучшить разгонные характеристики, уменьшить длину разбега, увеличить дальность полета.
После тщательного анализа задач первого этапа конструкторы ОКБ А.Н.Туполева пришли к выводу, что расширение диапазона боевого применения комплекса Ту-128С-4 вполне возможно. В 1968 г. командованию ВВС и ПВО было представлено техническое предложение по модернизации комплекса, причем отмечалось, что выпускать новые самолеты не требуется, их можно получить путем доработки уже построенных Ту-128 силами ремзаводов авиации ПВО В апреле 1968 г. было подписано совместное решение МАП, МРП и ВВС о модернизации комплекса, а 17 июля - соответствующее решение ВПК №182. 26 декабря 1968 г. вышло постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР №1044-381 по новому модернизированному комплексу Ту-128С-4М, согласно которому конструкторским коллективам Туполева, Волкова и Бисновата ставились задачи по модернизации стоящих на вооружении перехватчиков Ту-128 вТу-128М. На усовершенствованном самолете должны были устанавливаться новые РЛС РП-СМ "Смерч-M" и ракеты Р-4РМ и Р-4ТМ.