Pierwszy prototyp samolotu I-320, oznaczony R-1, oblatano 16 kwietnia 1949. Mimo ogólnie niezłych własności lotnych, konstrukcja jednak stwarzała problemy przy większych szybkościach. W efekcie, w listopadzie 1949 próby przerwano i samolot przekazano instytutowi NII-17, zajmującemu się rozwojem stacji radiolokacyjnej Torij-A celem prowadzenia badań w locie stacji i jej prób państwowych, których jednak nie przeszła.
Zbudowano następnie i oblatano w grudniu 1949 drugi ulepszony prototyp R-2, wyposażony w mocniejsze silniki WK-1. Wprowadzono w nim drobne poprawki, między innymi podwyższono miejsca załogi i osłonę kabiny w celu poprawy widoczności, zainstalowano też instalację przeciwoblodzeniową. Od 20 września 1950 prowadzono próby państwowe drugiego prototypu, ponownie jednak stwierdzono problemy z poprzeczną statecznością na dużych prędkościach (Ma 0,89) i skierowano samolot do przeróbek. Pod koniec 1950 prototyp R-2 otrzymał nowe wzmocnione skrzydła z integralnymi zbiornikami paliwa i trzema prowadnicami strug powietrza. Zainstalowano na nim także nowszą stację radiolokacyjną Korszun. W niektórych źródłach przebudowany prototyp nazywany jest R-3. Mimo ulepszeń, zachowanie samolotu w locie w dalszym ciągu jednak nie było zgodne z oczekiwaniami. Ponadto, podczas prób wybuchł w lufie nabój od działka, uszkadzając nos samolotu.