Вдохновленный успешным полетом второго корабля-спутника, совет главных конструкторов назначил запуск пилотируемого корабля на декабрь 1960 года. В правительстве поддержали это решение: 11 октября 1960 года вышло Постановление ЦК КПСС и Совета Министров, в котором предписывалось "осуществить подготовку и запуск космического корабля "Восток" с человеком на борту в декабре 1960 года и считать это задачей особой важности". Таким образом, временно статус проекта фоторазведчика "Зенит-2" в глазах руководства снизился по сравнению с возможностью запустить на орбиту первого космонавта в истории человечества. Однако за успехом последовала длинная череда неудач. Используя астрономическое "окно", ракетчики Тюратама дважды попытались отправить автоматическую станцию к Марсу, но оба раза старты завершились авариями на этапе выведения. А 24 октября 1960 года на полигоне взорвалась межконтинентальная баллистическая ракета "Р-16" конструкции бюро Михаила Янгеля. В чудовищной катастрофе погибли девяносто два человека, более пятидесяти получили ранения и ожоги. Траурные мероприятия, расследование причин катастрофы и ликвидация ее последствий заняли значительное время — лишь в начале декабря команда Сергея Королева смогла приступить к запускам новых космических кораблей.

Возобновление испытаний обернулось новыми проблемами. Первого декабря 1960 года ракета "Р-7А" вывела на орбиту корабль "1К" № 5, получивший в прессе название "Третий космический корабль-спутник", с собаками Пчелкой и Мушкой на борту. Весь мир с большим интересом следил за космическим путешествием дворняг. В суточном полете корабль вел себя нормально, но в ходе снижения из-за технической неисправности была нарушена расчетная траектория, и спускаемый аппарат уничтожила система аварийного подрыва.

Старт корабля "1К" № 6 состоялся через три недели — 22 декабря 1960 года. Пассажирами были собаки Жемчужная и Жулька, мыши, крысы и прочая мелкая живность. Но корабль опять же из-за технического сбоя на орбиту не вышел. Зато отлично сработала новая система аварийного спасения — спускаемый аппарат отделился от корабля и приземлился в 60 км от поселка Тура в районе реки Нижняя Тунгуска. Его удалось отыскать и эвакуировать.

Несмотря на очевидные проблемы, Сергей Королев принял решение перейти к следующему этапу — полету кораблей-спутников "ЗКА" (буква "А" появилась в заводском индексе после того, как с целью экономии времени конструкторы заменили катапультируемый контейнер в спускаемом аппарате на кресло). "ЗКА" был уже почти точной копией "Востока", на котором предстояло лететь космонавту, однако вместо научного оборудования на нем устанавливалась фотоаппаратура "Фтор", предназначенная для разведывательного спутника "Зенит-2". Можно смело утверждать, что история советской спутниковой разведки началась именно в период испытательных запусков, предшествовавших полету Юрия Гагарина.

Корабль "ЗКА" № 1, получивший наименование "Четвертый космический корабль-спутник", стартовал 9 марта 1961 года. На борту находилась собака Чернушка, а в катапультируемое кресло посадили облаченный в скафандр манекен, прозванный "Иваном Ивановичем"; в его грудной клетке разместили морских свинок и мышей. Хотя полет корабля продолжался всего один виток, конструкторам удалось опробовать "Фтор", в результате чего получилось несколько фотоснимков аэродрома со стоящими на нем самолетами. Само путешествие прошло хорошо, только по непонятной причине спускаемый аппарат приземлился со значительным перелетом — на 412 км.

Корабль "ЗКА" № 2 с собакой Звездочкой — "Пятый космический корабль-спутник" — вышел на орбиту 25 марта 1961 года. И он тоже приземлился с перелетом на 660 км! Зато система "Фтор" сделала прекрасный набор снимков заданных районов Африки и Турции: в частности, хорошо получились турецкий город Александретта и бетонная полоса аэродрома рядом с ним. К удивлению военных, фотокамеры зафиксировали и несколько "летающих тарелок". Генерал-лейтенант авиации Николай Каманин писал по этому поводу в дневнике: "По форме это не тарелки, а рюмки или вазы, поставленные одна на другую. Очертания этих красивых и несколько фантастических фигур очень четкие, я бы сказал, даже резкие. Не верится, что это оптические "фокусы" в атмосфере; "тарелочки" воспринимаются как реальные предметы — так и хочется дотронуться до них рукой…"

Сергея Королева беспокоили перелеты спускаемых аппаратов, которые никто не мог объяснить, но, с другой стороны, оба космических рейса завершились благополучно, и подопытная живность нормально перенесла их, — можно было рискнуть. Двадцать девятого марта Государственная комиссия дала добро на осуществление пилотируемого полета.

Дальнейшее хорошо известно: 12 апреля 1961 года старший лейтенант Юрий Алексеевич Гагарин совершил одновитковой полет вокруг Земли, войдя в историю как первый человек, побывавший в космосе. Впоследствии выяснили и причину перелетов кораблей "ЗКА" — оказалось, что всему виной монтажная ошибка: сигнал на разделение отсеков корабля поступал на секунду позже, чем пироножи разрубали соединяющие кабели: в итоге корабли входили в атмосферу целиком, и отсеки разделялись лишь после перегорания кабелей под воздействием раскаленного воздуха.

Разумеется, в пилотируемом полете на корабле не было аппаратуры "Фтор". Более того, из-за перегруза "Востока" пришлось избавиться от некоторых "лишних" предметов, в число которых попала репортажная кинокамера "Конвас". Хотя все космонавты первого набора учились работать с ней, чтобы осуществлять съемку с орбиты, первым ею воспользовался Герман Титов на "Востоке-2". Юрию Гагарину оставалось только запомнить как можно больше и постараться подробно изложить все, что он видел на орбите. Его впечатления были очень важны как для конструкторов корабля, так и для военных заказчиков, пытавшихся уже тогда оценить разведывательный потенциал космических систем. Тринадцатого апреля 1961 года в своем трехчасовом докладе перед Государственной комиссией старший лейтенант Гагарин, получивший после полета звание майора, сообщил, что различать детали земной поверхности с орбиты можно, но без специального оборудования трудно их идентифицировать.

Процитирую красноречивый фрагмент из этого исторического доклада, три десятилетия остававшегося совершенно секретным: "Вопрос. Как вы прикидываете, какие минимальные размеры предметов вы надежно можете различить своим глазом без прибора, без фотографий — смотришь и видишь: вот дорога идет, видно ее, а тропинку не видно; идет поезд, видно, а автомобиль, например, не видно?

Ответ. Ну, поездов я не видел, автомобилей тоже. Но вот реки и притоки рек видно. Обычные пашни, они видны как квадраты, вспаханные или невспаханные. Это видно было с высоты, когда работала третья ступень и конец третьей ступени.

Вопрос. Вот вы летите над городом — можно нарисовать схему улиц?

Ответ. Над городами я не пролетал, и таких, наверное, городов не было. Мне кажется, что предметы размером метров в сто можно наблюдать. Вот острова, потом притоки этих рек больших, они, по-моему, не такие широкие, эти притоки, а их видно хорошо".

Задача оценить возможности наблюдения деталей земной поверхности с орбиты стояла и перед Германом Титовым, который 6 августа 1961 года на корабле-спутнике "Восток-2" отправился в суточный космический рейс. Кроме того, в ходе полета он мог пользоваться камерой "Конвас" с трехсотметровым запасом цветной пленки и оптической системой "Визир" с трех- и пятикратным увеличением. Съемку поверхности Титов провел на первом витке, а после тринадцатого пытался наблюдать наземные объекты через "Визир". Его работу сильно затрудняла болезнь укачивания (кинетоз), что впоследствии вызвало серьезную дискуссию среди ученых, которые начали сомневаться, способен ли человек долго находиться в невесомости без вредных для организма последствий. Так или иначе, но теперь задача создания спутника фоторазведки стала актуальной как никогда.