Для летной отработки систем беспилотного изделия использовались два серийных истребителя МиГ-19, переоборудованных ОКБ-155 в самолеты-аналоги СМ-20/I и CM-20/II (на большинстве пишущих машинок того времени не было латинской «двойки», и вторая машина в ряде документов проходила как СМ-20П, что впоследствии вызвало версию о том, что один из аналогов был пилотируемым, а другой - беспилотным). На самом деле обе машины были пилотируемыми. Их оборудовали узлами подвески под носитель и комплектом бортовой аппаратуры радиоуправления, размещенной вместо одного из баков и в обтекателе под фюзеляжем. Аналоги, близкие по массо-габаритным и летным характеристикам к Х-20, в первых полетах взлетали с аэродрома, а затем поднимались в воздух на Ту-95К и после сброса выполняли полет с помощью системы управления К-20, отрабатывая характерные режимы. В этих полетах их пилотировали летчикииспытатели Амет-Хан Султан и В.Г.Павлов.
В течение 1957 года самолеты-аналоги совершили 27 полетов с самостоятельным взлетом и 32 - со сбросом с носителя. С их помощью исследовалась также помехозащищенность системы управления, для чего на полигоне во Владимировке летом 1958 года выполнили 9 полетов с имитацией радиопротиводействия. Всего же пара СМ-20 выполнила более 150 испытательных полетов по программе К-20.
Летом 1957 года начали испытания самолетов-снарядов Х-20. Они продолжались с 6 июня 1957 года по 29 июля 1958 года. От ОКБ-155 всеми испытаниями по беспилотной тематике руководил П.А.Шустер. При обработке данных, решении вопросов динамики и траектории использовалась первая в стране БЭСМ-1, находившаяся в Институте точной механики АН СССР, а весной 1959 года первая такая вычислительная машина появилась и в лаборатории ОКБ. Испытания Х-20 шли удовлетворительно, без существенных дефектов системы. Вместе с тем имелись претензии к дальности и точности: в первом пуске 17 марта 1958 года ракета не вышла на маршевую траекторию из-за неисправности ПВД и отказа статоскопа - прибора, выдерживающего заданную высоту, не была достигнута и установленная дальность. В апреле был произведен следующий пуск, а в июле - еще два, после чего последовало решение о передаче комплекса К-20 на госиспытания. Летом 1958 года Ту-95К и Х-20 демонстрировали Н.С.Хрущеву, посетившему ЛИИ. Глава государства благосклонно оценил увиденное, что было немаловажно для судьбы проекта (для ОКБ-23 Мяси-щева такой визит завершился скорым расформированием).
Совместные госиспытания начались 15 октября 1958 года и завершились спустя год, 1 ноября 1959 года. В их рамках выполнили 16 пусков Х-20, из которых зачетными признали 1 1, хотя и с оговорками по точности, не дости
гавшей заданной. Недостатки были выявлены также в работе силовой установки и бортовой аппаратуры. То и дело на высоте не хотел запускаться двигатель, замерзавший на высоте до -40° С. Обычный керосин в переохлажденном состоянии не воспламенялся, и для запуска на самолете оборудовали систему подпитки с бачком пускового топлива - бензина Б-70, а сам двигатель оборудовали системой розжига. Повышая запас устойчивости, доработали воздухозаборник и конус входного устройства, расширили канал подачи воздуха к двигателю.
Параллельно было принято решение о замене БЧ на усовершенствованную с новым термоядерным зарядом. Отработка ядерной БЧ и ее систем проводилась в 1957 году. Модернизированная ракета получила обозначение Х-20М. По израсходовании Х-20 первого варианта, не принимавшегося на вооружение, испытания были продолжены на новых образцах.
Отработка систем и автоматики БЧ потребовала выполнения еще ряда испытательных пусков (два пуска произвели в марте 1960 года, исполняя указания комиссии Д.Ф.Устинова). Пуски Х-20 осуществлялись при воздействии радиопомех, в ходе испытаний соблюдалось также подобие строевым условиям эксплуатации. Несмотря на ряд замечаний, положительную оценку получили надежность, простота освоения и обслуживания, эксплуатационные качества. Постановлением правительства от 9 сентября 1960 года авиаци-онно-ракетная система К-20 была принята на вооружение. Как говорилось выше, во использование того же ПСМ от 11 марта 1954 года параллельно велись работы по созданию ракетоносного варианта мясищевского ЗМ-К-20. Согласно Приказу МАП от 31 декабря 1954 года оба носителя должны были иметь единую систему наведения и самолет-снаряд Х-20. Серьезной проблемой стало само размещение Х-20 на мясищевском самолете, затрудненное крайне небольшим просветом под фюзеляжем и велосипедным шасси. Рассматривалась возможность подвески ракеты при помощи специальной ямы на стоянке, ее установка на фюзеляже сверху с помощью крана и даже крепление ракеты под кабиной самолета в перевернутом положении, килем вниз. В конце концов приемлемым сочли вариант подвески Х-20 под крылом и симметричным размещением большого ПТБ для сохранения путевой устойчивости и балансировки. Ракета крепилась на специальной поворотной балке, наклонявшейся в стартовое положение для отхода от носителя.