На серийных Су-15 проводился целый ряд экспериментальных работ в целях испытаний различных систем и оборудования для других самолетов, разрабатываемых в ОКБ Большой комплекс работ выполнялся, например, при создании Су-24. Так. для отработки аппаратуры, обеспечивающей автоматический маловысотный полет с огибанием рельефа местности, был доработан Су-15 №07-11. получивший обозначение Т-58Р (СЛ-15Р). На нем вместо штатного радара и части оборудования установили опытный образец РЛС -Рельеф». Полеты по этой программе продолжались в 1972-75 гг.. и большая их часть прошла в ЛИИ (ведущий летчик – В. И. Лойчиков).
В 1972-76 гг. ОКБ Сухого совместно с ЛИИ и ОКБ «Звезда» провело в интересах модернизации Су-24 испытания системы дозаправки топливом в полете. Для этого «суховцы» превратили в воздушные танкеры Су-15 № 11 -37 и 0001. оснастив их унифицированными подвесными агрегатами заправки (УПАЗ). Су- 15Т №02-06 стал дозаправляемым самолетом и был оборудован неубираемой штангой. Полеты выполняли летчики-испытатели ОКБ. Соловьев. Кречетов, Егоров. Ильюшин, ведущим инженером был Беленький. Выполненная программа позволила оценить и возможности повышения боевых характеристик самого Су-15. Например, при типовом перехвате высотной цели в ЗПС использование одной дозаправки позволило увеличить его рубеж с 220 до 397 км. т. е. в 1, 8 раза!
В 1978 г. Су- 15Т №02-06 был доработан в ЛЛ для испытаний ракетного вооружения перспективного истребителя Т-10 (будущего Су-27). Самолет получил обозначение Л-10-10. На нем штатные пусковые устройство ПУ-1-8 заменили на ЛПУ-470. предназначенные для новых ракет типа К-27. Полеты, во время которых проводились пуски ракет, осуществлялись уже а 1979 г.
На специально доработанных Су-15 проводилось большое количество исследований по аэродинамике, устойчивости и управляемости Так, в ЛИИ дважды выполнялись испытания на штопор: в 1968 г. на самолете с треугольным крылом (о чем ужо сказано выше), и в 1972-73 гг. на Су-15 №11-37. оснащенном крылом с «наплывом». Ведущим летчиком-испытателем и обоих случаях был О. В. Гудков, но часть полетов на машине №11-37 выполнил И П Волк Кроме того, испытания но штопор проводились в ГК НИИ ВВС. где ведущим летчиком выступал Н. В. Казарян. При подготовке к таким полетам самолеты оснащались противоштопорными ракетами ППР-90. По результатам испытаний было отмечено, что при выходе самолета на углы атаки, близкие к критическим, появляется ощутимая предупредительная тряска. В таких условиях попасть в штопор можно было только преднамеренно или в результате грубой ошибки пилотирования. В основном, характеристики штопора у обоих вариантов самолета оказались сходными, но на машине с «наплывом» вращение было более устойчивым Несколько позднее выполнялась отдельная штопорная программа и на Су- 15УТ.
Толчком к проведению еще одного цикла испытаний стали несколько летных происшествий. При энергич(юм маневрировании на сверхзвуке самолеты иногда попадали в неуправляемое вращение вокруг продольной оси, которое трактовалось летчиками как полный отказ управления. Для исследования этого явления использовали Су-15 №01 02. оборудованный КЗА В 1970-71 гг. летчики ОКБ и ЛИИ нa нем выполнили программу испытаний по определению условий попадания и такие режимы сперва на дозвуковых, а затем и на сверхзвуковых скоростях. Ведущими летчиками были: от ОКБ – Соловьев, а от ЛИИ – Волк. Удалось выяснить, что никакого отказа управления не было, а причина явления заключалась в особом характере соотношений моментов инерции по различным осям, свойственным для большинства сверхзвуковых самолетов 2-го поколения. Фактором, провоцирующим возникновение вращения, оказалось создание отрицательной перегрузки. Рекомендации по борьбе с самовращением сводились к снижению скорости путем дросселирования двигателя и установки всех органов управления в нейтральное положение.
Су-15 ранних серий на аэродроме Насосный. Начало 1970-х гг.
Су-15 предположительно из 611-го ИАП, приземлившийся на аэродроме Ханкала по пути на красноводский полигон, июль 1972 г.
Начиная с 1968 г., «суховцы» прорабатывали варианты крыла с острой передней кромкой. Для летных экспериментов к апрелю 1973 г доработали Су-15 №01-04 Переднюю кромку его крыла несколько -вытянули- вперед и заострили С крыла сняли аэродинамические перегородки и пилоны, о узлы подвески закрыли специальными обтекателями В продольном ка нале управления бустеры БУ-220 заменили на БУ-250. Вместо штатного оборудования установили КЗА и центровочные грузы. Машина получила обозначение Т-58К и в 19/3-74 гг. прошла испытания в ЛИИ. К сожалению, найти результаты этих исследований тюка не удалось.