БД-238 имел два положения – верхнее для полуутопленного размещения ракеты в крейсерском полете и нижнее – для пуска К-10С. Летные испытания системы начались весной 1958 года на полигоне 6-го ГосНИИ ВВС в Ахтубинске, и до конца года выполнили пять пусков. Следует отметить, что первые ракеты испытывались в автономном режиме без самонаведения. Полностью же снаряженные К-10 начали испытываться лишь в следующем году.

В соответствии с декабрьским 1958 года постановление правительства предписывалось комплектовать Ту-16К-10 двигателями РД16–15. Однако этого не произошло, и на машины устанавливали двигатели РД-3М-50 с режимом чрезвычайной тяги. С 1960 года комплекс Ту-16К-10 с ракетой К-10С стал поступать в войска. Постановлением правительства от 12 августа 1961 года его приняли на вооружение. В отличие от предшественника, он позволял без взаимных помех системам наведения применять в залпе до 18 ракет с одного или нескольких направлений.

Для первых пяти пусков ракет в ВМФ в 1960 году выделили два экипажа авиации Северного флота. Процедура подготовки пусков была довольно сложной. Предварительно экипажи трижды летали на полигон Кузминское авиации СФ, а затем перелетели на аэродром Кульбакино 33-го учебного центра, где в течение восьми дней проводили дальнейшие тренировки. Затем возвратились в Североморск-1 принять ракеты и вернуться в Кульбакино. Лишь после этого в июне приступили к пускам К-10.

Первый пуск произвел экипаж подполковника Мызникова. Полет по маршруту Николаев – Ставрополь – Черный Рынок – цель (притопленный транспорт «Чкалов») в Каспийском море – Астрахань – Ростов на Дону – Николаев выполнялся на высоте 10 000–10 500 метров с отцепкой ракеты на удалении 175 км. По данным с полигона, К-10 не долетела до цели 40 м. Следом за ним экипаж подполковника Ковалева пустил с удаления 170 км вторую ракету. Результат – прямое попадание. В течение двух недель произвели еще пять пусков, но один из них, из-за ошибки экипажа, оказался неудачным. Так, Ту-16К-10 начал свою службу в морской авиации.

В 1960 году ракетный комплекс поступил в семь авиаполков. Количество пусков в 1961-м по сравнению с предшествующим годом возросло с 79 до 126. Рекордным стал 1962 год, когда израсходовали 147 крылатых ракет.

Большинство пусков, выполненных в контролируемых условиях, позволило быстро выявить основные дефекты и причины отказов. Для скорейшего их устранения создали специальное конструкторское бюро, в которое вошли представители управления авиации ВМФ и промышленности, ряда научно-исследовательских учреждений. Их разработки снизили высоты пуска ракет с 5000 до 1500 метров и траектории полета с 1200 до 600 метров.

После доработки станции, получившей индекс ЕНД-1, дальность обнаружения надводных целей возросла с 320 до 450 км, что позволило пускать ракеты на удалении до 325 км. Одновременно существенно подняли избирательность РЛС самолета-снаряда, получившей обозначение ЕНН, и предусмотрели дополнительный контур управления. Доработанная ракета получила обозначение К-10СН, а комплекс – Ту-16К-10СН. После пуска К-10СН носитель сближался с целью на дистанцию не более 265 км, а раньше – на 140 км. Тем самым снизилась уязвимость носителя от корабельных средств ПВО.

Впоследствии на базе К-10СН разработали беспилотный постановщик помех К-10СП «Азалия», ставший первым образцом подобного назначения в отечественной авиации.

Серийное производство Ту-16К-10 развернулось в 1958 году на заводах № 1 и № 22. В конце 1960-х часть Ту-16К-10 начали переоборудовать в морские разведчики Ту-16РМ-1.

Единственная попытка боевого применения Ту-16К-10 имела место 9 ноября 1975 года. В тот день группу самолетов подняли по тревоге для нанесения удара по мятежному кораблю «Сторожевой», следовавшему в направлении Ирбенского пролива. Трудно предсказать, по какой цели пошли бы ракеты, поскольку ничего хорошего от подобного удара ожидать не приходилось. Но все обошлось – удар нанесли Як-28 ВВС, поднятые по тревоге с аэродрома Румбула (Рига).

На Тихоокеанском флоте был случай попадания К-10С в японский лесовоз, следовавший из Николаевска-на-Амуре и оказавшийся в запрещенной для плавания акватории. Лесовоз спасло то, что ракеты устанавливались на ликвидацию за 400 метров до цели и обломками повредило надстройки, а ее двигатель пробил оба борта, тяжело ранив одного моряка. По непроверенным слухам, с лесовоза пришла телеграмма с соболезнованиями по поводу гибели летчика самолета-истребителя.

Почти параллельно с К-10 началась разработка комплекса Ту-16К-16. Появление последнего, судя по всему, связано с предложением дубнинского филиала ОКБ-155 модернизировать комплекс Ту-16КС путем замены двигателя РД-500К на ЖРД. Это позволяло поднять высоту пуска ракет до 10 000 метров. Однако вместо модернизации появилась новая ракета КСР-2. Ее характеристики, в частности большие высота и дальность пуска, возросшая помехозащищенность позволяли снизить вероятность поражения носителя средствами ПВО противника. Но особых преимуществ КСР-2 по сравнению с К-10 не имела. Безусловно, Ту-16К-16 получился дешевле Ту-16К-10, но его преимущества «тонули» в усложнившейся эксплуатации, связанной с применением высокотоксичного окислителя ЖРД и явно низкой скоростью.

В носители Ту-16К-16, поступавшие в строевые части, переоборудовались Ту-16КС и бомбардировщики Ту-16. При этом с Ту-16КС снимали гермокабину оператора и все оборудование системы «Комета» , вместо станции К-1М поставили К-IIМ. РБП-4 заменили новой РЛС наведения ракет «Рубин-1К» (объединенные К-IIМ и «Рубин-1К» получили обозначение «Рубикон-1К»), разместив ее под носовой частью фюзеляжа, а автопилот АП-5–2М, плохо державший высоту, – на АП-6Е. Дополнительно установили, в частности, доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса ДИСС-1, доработали топливную систему. Балочные держатели БД-187 заменили БД-352. В отличие от Ту-16КС, носитель мог использоваться и как бомбардировщик или торпедоносец.

Основными целями Ту-16К-16, как и прежде, были надводные корабли водоизмещением свыше 10 000 тонн и радиоконтрастные наземные объекты. Радиус действия системы находился в пределах 1900–2000 км при дальности пуска ракет 140–150 км, впоследствии доведенной почти до 200 км.

Государственные испытания системы К-16, начатые летом 1958 года, проводил экипаж летчика-испытателя 6-го ГосНИИ ВВС В.В. Зенцова на Ту-16КС, но с доработанной станцией наведения и другими балочными держателями, рассчитанными на более тяжелую ракету. Пуск КСР-2 осуществлялся на скорости 700–800 км/ч и высотах 4000–10 000 метров.

Из шести первых испытательных пусков в июле-сентябре 1958 года на дальность 96 км четыре закончились прямым попаданием в цель. Для этого использовали наземные уголковые отражатели и притопленный на мелководье транспорт «Чкалов».

В этих полетах, несмотря на значительный момент крена, вывести из которого мог только летчик, подтвердилась безопасность отделения одной довольно тяжелой ракеты. Опробовали и посадку носителя с подвешенными КСР-2, но при этом, во избежание аварийной ситуации, агрессивный окислитель приходилось сливать в воздухе.

Казалось, испытания шли неплохо, но когда перешли к пускам ракет на дальность 130–150 км, все они завершились неудачно. Причина – сбои в работе самолетной системы наведения, обнаружилась и ненадежная подача топлива в ЖРД ракеты при длительных отрицательных нормальных перегрузках. Лишь после доработки ракеты и установки на носители новой аппаратуры наведения ракет с РЛС, обнаруживавшей надводный крейсер на удалении до 200 км, удалось достигнуть расчетной дальности поражения целей. Помимо надводных целей, проверили возможность нанесения ударов и по наземным радиоконтрастным объектам типа ГЭС, железнодорожные узлы и отдельные промышленные предприятия. Акт по их результатам утвердили 13 июля 1961 года и в январе следующего года Ту-16К-16 приняли на вооружение.