Уже во второй половине пятидесятых годов система К-5 рассматривалась как устаревшая и не планировалась к применению на перспективных самолетах. Однако, обстоятельства сложились так, что с некоторыми доработками она стала основой вооружения Су-9 - наиболее скоростного и высотного советского перехватчика первой половины шестидесятых годов.

Прототип этого самолета - Т-3 - предполагалось вооружить более современными ракетами типа К-7 или К-6. Однако, обеспечивающая их применение РЛС "Алмаз-3", как и станции семейства "Изумруд", включала две антенны, что затрудняло ее размещение в сверхзвуковом воздухозаборнике. В попытках довести скорость Т-3 до уровня его аналога со стреловидным крылом, фронтового истребителя С-1, перехватчик оборудовали аналогичным воздухозаборником. Первоначально эти работы носили чисто экспериментальный характер, так как предполагалось, что в небольшом центральном теле не удастся разместить ничего, кроме радиодальномера. Однако, к этому времени в КБ-1 коллектив под руководством К.Н. Патрухина на базе опыта работ по головкам самонаведения крылатых ракет сумел разработать достаточно эффективную самолетную РЛС ЦД-30, способную, в частности, обеспечить наведение очередной модификации ракет семейства К-5М. Предварительно на экспериментальном варианте Миг-17ПФУ - СП-16 был испытан опытный радиолокатор ШМ-60 все того же КБ-1. В результате, 28 декабря 1957 г. вышло Постановление  1843-619, обязывающее ОКБ П.О. Сухого оснастить Т-3 РЛС ЦД-30 и ракетами К-5М.

Для применения в более широком диапазоне условий пуска и совмещения с новой РЛС предстояло вновь доработать ракету. Очередной вариант получил обозначение К-51 (изделие "ИС"), но в ряде документов использовалось обозначение К-5МС. Доработке подлежали блок питания и аппаратура управления (пятый отсек) ракеты.

С развертыванием работ по К-51 в КБ-1 вновь оказался востребован один из прежних руководителей работ по ракете - Д.Л. Томашевич, которого в последний день мая 1958 г. назначили главным конструктором по К-51 в КБ-1. КБ-1, однако не располагало достаточной производственной базой для изготовления ракет. Поэтому спустя пару недель организация работ вновь претерпела ряд изменений. Приказом Госкомитета по авиационной технике калининградский завод  455 был определен в качестве опытной базы КБ-1 при проведении работ по К-51. Начальником КБ при заводе назначили М.Е. Екидовича, а техническое руководство возложили на Томашевича. Работавших в КБ-1 А.А, Колосова и Э.В. Ненартовича назначили главными конструкторами комплекса К-51 в целом и системы управления соответственно.

В соответствии с Постановлением от 16 апреля 1958 г. 41-198 применение системы К-51 предусматривалось как в составе авиационных ракетных комплексов перехвата Т-3-51 с размещением на самолете Т-3 четырех К-5М, так и в составе комплекса СМ-12-51 на самолете СМ-12 - варианте МиГ-19 с оптимальным для сверхзвуковых условий воздухозаборником с заостренными кромками и центральным телом. Отметим, что Постановлением предусматривалось также использование системы автоматизированного наведения истребителей - "Воздух-1". Использование директорного, а в дальнейшем и автоматизированного режимов наведения истребителя в сочетании с ракетным вооружением превращала перехватчик в первую пилотируемую ступень своего рода зенитной ракеты дальнего действия, сводя роль летчика к минимуму. Выход на летные испытания Т-3-51 и СМ-12-51 планировался, соответственно, в августе и сентябре 1958 г.

Еще до оформления Постановления, решением Военно-промышленной комиссии  12 от 3 марта 1958 г. было задано переоборудование под комплекс К-51 одного из первых серийных Т-3 (заводской  0103), а также изготовление на заводе  153 еще трех ракетоносцев с представлением на испытания в мае-июле. В мае 1958 г. летчик-испытатель В.И. Ильин поднял в воздух первый носитель системы К-51 - самолет Т-43-2, переделанный для этих испытаний из ПТ-8. Под крылом суховского носителя ракеты размещались на пусковых устройствах АПУ-19 (внутренняя пара) и АПУ-20 (внешняя пара).

В свою очередь, на заводе  21 изготовили один СМ-12ПМ и два экземпляра подобного самолета с жидкостным ракетным ускорителем - СМ-12ПМУ. Еще в июне 1958 г. для проведения испытаний назначили летчиков Г.А. - Мосолова и К.К. Коккинаки. Однако, МиГ-19 устаревал все стремительней и после проведения на полигоне во Владимировке в сентябре - октябре 1958 г. заводских испытаний, а с 20 декабря - совместных государственных испытаний, по Постановлению от 4 июля

1959 г.  735-338 работы по его ракетоносному варианту СМ-12-51 были прекращены.

В ходе летных испытаний К-51 в составе Т-3 удалось подтвердить возможность применения ракет в диапазоне высот от 7 до 20 км, а также выполнить автономные пуски на высотах до 23 км. Несмотря на то, что комплекс предъявили на государственные испытания уже в сентябре, фактически их первый этап начался только с 3 декабря 1958 г. и продолжался до 15 мая следующего года, в то время как по Постановлению все этапы госиспытаний требовалось выполнить всего за три месяца. К тому же, при первых пусках по Ил-28 выявились преждевременные срабатывания радиовзрывателя, что потребовало его доработки.

Второй этап государственных испытаний системы проводился с 10 октября 1959 г. и до начала следующего года удалось выполнить 90 полетов, сбив в восьми пусках 4 Ил-28 и 3 МиГ-15, упустив один МиГ-15 из-за отказа матчасти. В ходе этих испытаний задействовалась и система "Воздух-1", а также другие элементы авиационного комплекса перехвата. Государственные испытания завершились 9 апреля 1960г. В проведении испытаний участвовал будущий космонавт Г. Т. Береговой и другие летчики-испытатели ВВС - Н.И. Коровушкин, В.Г. Плюшкин, Л.Н. Фадеев, а также пилоты суховской "фирмы" B.C. Ильюшин, А.А Кознов, Л.Г. Кобещан.

В соответствии с Постановлением от 10 октября 1960г.  1108-460 авиационно-ракетный комплекс перехвата Т-3-51 с принятием на вооружение получил обозначение Су-9-51, самолет - Су-9, РЛС ЦД-30 - РП-9, ракета К-51 - РС-2УС. Комплекс перехватывал цели со скоростями 800-1600 км/час на высотах от 5 до 20 км. Радиолокатор обеспечивал обнаружение цели с параметрами Ил-28 на дальности 17 км, захват на сопровождение - на дальности 8-10 км. Пуск ракет производился с дистанции 2-6 км. Вероятность поражения цели на высоте 10-12 км залпом четырех ракет определялась величиной 0,8-0,9, а на высотах, близких к максимальной - 0,7-0,8.

По результатам испытаний выявилась необходимость доработки радиолокатора, и на 120 ранее выпущенных перехватчиках РЛС ЦД-З0С заменили на ЦД-З0Т.

Как известно, с 1959 по 1963 годы на новосибирском заводе  153 выпустили около тысячи самолетов Су-9. Серийное производство ракет РС-2УС осуществлялось с 1959 г., а спустя год они полностью сменили в производстве РС-2У. Обеспечивалось применение РС-2УС со всех носителей ракет семейства К-5. Помимо калининградского завода No 455 серийный выпуск ракет семейства К-5 осуществляли также другие заводы - киевский  485, ижевский  575, ковровский Ns 635 и московский  43.

Помимо разработки К-51, апрельским Постановлением 1958 г. предусматривались также работы по комплексу К-52 с размещением на самолетах МиГ-19 ракет с максимальной высотностью, увеличенной с 20 до 23-25 км. Кроме того, велись работы и по теме МиГ-21П-К-52. Изготовленные на заводе  455 опытные образцы таких ракет К-52 - ЦМ-4В - прошли летные испытания, но в 1959 г. работы по данной теме прекратили.

Ракеты семейства К-5 впервые продемонстрировали под самолетами Су-9 на воздушном параде в Тушино 9 июля 1961 г., после чего они получили за рубежом обозначение АА-1 Alkali.

Вскоре после принятия на вооружение в составе Су-9, РЛС ЦД-30 в варианте ЦД-З0Т (РП-21) нашла применение и на более крупносерийном самолете - МиГ-21ПФ. В принципе, эта РЛС могла бы обеспечить применение с МиГ-21 ракет РС-2УС, что, по видимому и предполагалось до конца 1958 г., когда в нашей стране были развернуты работы по более эффективной ракете К-13 - воспроизведению американского "Сайдуиндера". К моменту принятия на вооружение (в марте 1962 года) в качестве единственного варианта вооружения этого самолета устанавливалась пара самонаводящихся ракет К-13А (Р-ЗС). Поскольку эти ракеты с тепловыми головками самонаведения не обеспечивали всепогодности применения, с начала шестидесятых годов велась разработка их варианта с полуактивной радиолокационной ГСН - Р-ЗР. Эти работы затянулись и в дополнение к Р-ЗС на очередной модификации МиГ-21 решили установить РС-2УС. Соответствующие проработки были заданы Решением ВПК  93 от 26 мая 1961 г. Уже в маеўиюле 1961 г. на МиГ-21ПФ  76210101 испытали доработанный радиолокатор ЦД-ЗОТП. В октябре того же года на МиГ-21ПФ  76210103 установили такую же РЛС и ПУ-12-40 с ракетами РС-2УС. Заводские испытания начались на МиГ-21ПФ  76210101 с 12 марта 1962 г., в мае они продолжились во Владимировне. Государственные испытания К-51 на МиГ-21 провели с 20 ноября 1962 г. по 3 сентября 1963 г. пусками по Ла-17 и мишенным вариантам МиГ-15 и Ил-28, завершив их с положительными результатами оформлением заключения с рекомендацией принять на вооружение.

Позже аналогичные самолеты выпускались крупной серией под наименованием МиГ-21 ПФМ. В связи с расширением числа носителей РС-2УС в середине шестидесятых годов было возобновлено серийное производство этих ракет, ранее уступивших свое место на сборочных линиях более поздним К-8М и К-13. На самолетах семейства МиГ-21, в особенности - на поставленных в зарубежные страны, и подошла к завершению служба ракет семейства К-5 после снятия Су-9 с вооружения в конце семидесятых годов.

Ракеты семейства К-5 выпускались также и в Китае, где их производство под наименованием PL-1 осуществлялось в соответствии с переданной в конце пятидесятых годов лицензией.

В целом, создание ракет семейства К-5 обеспечило становление промышленной базы для выпуска ракет "воздух-воздух", позволило освоить ракетное вооружение в войсках, обеспечило всепогодное применение фронтовой истребительной авиации в период до создания легких ракет с радиолокационными головками самонаведения, что было осуществлено только к концу шестидесятых годов.