Подготовка самолета и изготовление всех частей «РУ-1» велись быстрыми темпами. Уже в том же 1943 году на одном из заводских аэродромов можно было видеть внешне почти обычный «Пе-2», но стоявший отдельно от своих собратьев и время от времени (когда подходил срок огневых испытаний) громко гудевший и извергавший огненную струю из сопла, помещенного в его хвостовой части. Самолет этот значился в документах под номером 15/185.

В техническом описании, составленном Королевым специально для заводских испытаний первенца, говорилось, что «для грамотной эксплуатации РУ-1 требуется тщательное, глубокое изучение конструкции ее агрегатов и систем, строгое соблюдение всех правил обращения с ними». Экипаж самолета состоял из трех человек: летчика, инженера-экспериментатора на месте штурмана и еще одного инженера на месте стрелка-радиста.

В инструкции четко определялось все, что надо делать при подготовке опытной машины к полетам.

«Любые отступления от установленных правил допустимы лишь с письменного разрешения главного конструктора РУ-1», — предупреждал Королев.

Для проведения заводских испытаний «Пе-2» с реактивным двигателем была создана комиссия. В нее вошли конструктор двигателя Валентин Глушко и автор реактивной установки Сергей Королев. Пилотировал экспериментальный самолет летчик-испытатель Васильченко. Королев также был включен в летный экипаж в качестве инженера-экспериментатора.

Испытания в воздухе проводились по широкой программе. Первый полет предназначался для пробного включения и рассчитывался на 30 минут. Потом предстояли шесть полетов общей продолжительностью в четыре с половиной часа для включения РУ в режиме максимальной скорости на высоте 2,5, 5 и 7 километров. После этих испытаний экипажу нужно было готовиться к полетам при двукратном включении ракетного двигателя и на максимальной скорости. Планировалось два таких полета. Далее в программе значились полеты с двумя запусками ракетного двигателя на малой высоте, у земли. Затем следовали три полета с включением «РУ-1» на взлете, еще два в режиме набора высоты. Всего планировалось шестнадцать полетов. В действительности же программа испытаний сильно разрослась и заняла почти два года

Первый раз самолет «Пе-2» с включенным ЖРД взлетел 1 октября 1943 года. Ракетный двигатель работал 2 минуты, и его выключили, когда самолет вошел в облака. К моменту остановки давление в камере сгорания возросло до 2030 атмосфер, а скорость полета увеличилась на 92 километра в час.

Через день — повторный полет. Ракетный двигатель включили на скорости 365 километров в час, и он работал 3 минуты. После этого обороты моторов увеличили, и ЖРД тянул еще минуту. И опять все оборудование после полета оказалось полностью в исправности.

Ощущения пилота при включении «РУ-1» описаны в отчете:

«В первые секунды создавался небольшой кабрирующий момент и ощущалось ускорение. Возникало давление на штурвал, которое легко устранялось летчиком. Условия пилотирования не ухудшались».

4 октября 1943 года экипаж шесть раз поднимался с бетонной полосы при включенной реактивной установке. Она работала каждый раз по минуте и каждый раз сокращала длину разбега. Затем начались систематические полеты, продолжавшиеся до мая 1945 года. РД включался десятки раз на разных высотах и на максимальных скоростях.

В течение всех испытаний Сергей Королев, как правило, непосредственно находился на борту летающей реактивной лаборатории. Поначалу РУ преподносила экипажу сюрпризы. Так, в одном из полетов вышла из строя газовая трубка на высоте 2500 метров, в другой раз упало давление в камере сгорания, а как-то двигатель даже самовыключился.

Всего на «Пе-2» было совершено 110 полетов, в том числе 29 с включенной реактивной установкой. Четырнадцать раз экипаж поднимался для отладки оборудования, 67 полетов было выполнено для отработки зажигания.