Серьезным недостатком Р-3, десятилетие служившей основной ракетой ИА, была невозможность использования в плохих погодных условиях - облака, туман и дождь, делали цель невидимой для ГСН, из-за чего на МиГ-21 сохранялись безнадежно устаревшие радиолокационные «всепогодные» РС-2УС.
Для устранения недостатков удачная конструкция Р-ЗС была подвергнута модернизации, получив новый двигатель и РГСН. Работы начались в ОКБ-134 в 1962 году (параллельно то же решение американцы использовали для модификации «Сайдвиндера» AIM-9C). В серийном исполнении «радииная» ракета отличалась заметно большей длинной и массой - головка ПАРГ-13ВВ была на 8 кг тяжелее тепловой ГСН. Взамен оптического взрывателя установили более эффективный радиовзрыватель «Ястреб», заметно выделявшийся на корпусе ракеты. Новую ракету Р-ЗР (изделие 320) получили МиГ-21, оборудованные РАС «Сапфир-21» (РП-22), а также первые МиГ-23 с такой же РАС. На вооружение Р-ЗР была принята в июле 1967 года. Она имела большую дальность захвата и пуска, была нечувствительна к погодным условиям, более надежна и эффективна. Для ее запуска служила АПУ-13У2.
Семейство УР, разработанных на базе Р-ЗС, дополнили учебная Р-ЗУ без двигателя, БЧ и системы управления, предназначенная для отработки в учебных боях захвата цели ГСН и фиксации результатов атаки контрольно-записывающей аппаратурой, и «практическая» Р-ЗП для реальных огневых пусков, однако без дорогостоящей ГСН и управления.
«Ручная работа» - подвеска практической ракеты Р-ЗП на АПУ 1 ЗБС
Р-ЗП под крылом истребителя МиГ-23МЛ
Учебная Р-ЗУ на АПУ-13М1 самолета Л-39
Учебный вариант ракеты Р-55
В отличие от боевой ракеты, Р-ЗУ была лишена крыльев и оперения, но несла электрические часы для хронометража атаки и самописец с бумажной лентой, отмечавший время, захват цели, «пуск» и «сход». Действия с ней были для летчика совершенно аналогичны манипуляциям с Р-ЗС, включая нажатие на боевую кнопку и тактический пуск - без схода самой ракеты. Использование Р-ЗП позволяло экономить мишени, отрабатывая их атаку несколькими летчиками подряд.
Р-55 (изделие 67)
Тепловая ГСН была использована при модернизации К-5. Ракета Р-55 (изделие 67), сохранив общую компоновочную схему хорошо отработанной К-5, помимо ТГСН типа ТГС-59, получила оптический взрыватель «Заря», окна которого опоясывали корпус. Ракета имела новое крыло и рули увеличенной площади и более мощные рулевые приводы, сохранив от прежней лишь двигатель ПРД-45. Для сохранения центровки ракеты освободившиеся от аппаратуры объемы хвостового отсека заняла дополнительная осколочно-фугасная БЧ. Атака Р-55 могла производиться на пересекающихся курсах при маневрировании цели с перегрузками до 3 единиц, при этом благодаря меньшей нагрузке на крыло Р-55 существенно превосходила Р-ЗС в маневренности и имела большую дальность. Производство Р-55 началось в 1967 году, а на вооружение она была принята в январе 1969 года.
Р-13М на пусковом устройстве АЛУ-13МТ
Подвеска Р-60М и Р- 13М на польском МиГ-21 бис
На вооружении Су-9 эта ракета оставалась и в 70-е годы, а в качестве оборонительного оружия бомбардировщика Су-24 - до появления ракет нового поколения Р-60. В экипаже Су-24 летчик производил пуск и прицеливание визуально, а штурман мог использовать бортовой теплопеленгатор и радиолокационный прицел «Орион-А».