Согласно расчетам P-Z с М-34Н должен был развивать на высоте 4000 м максимальную скорость 330 км/ч, набирать высоту 5000 м за 11 мин. Рассматривались и другие, более радикальные способы повышения летных характеристик самолета, в частности установки на него убираемого в нижнее (немного утолщенное у фюзеляжа) крыло шасси. Конструкцию такого шасси предполагалось отработать на специальной модификации Р-5. Был выполнен проект и построен макет, однако от реализации идеи отказались: эпоха Р-5 уже подходила к концу. По этой причине на P-Z осталось неубираемое шасси.
На испытаниях, проходивших в июле 1935 г., P-Z при взлетном весе 3150 кг развил максимальную скорость 316 км/ч на высоте 3500 м и достиг потолка 8700 м. Высоту 5000 м самолет набирал за 11,8 минуты.
Испытания выявили, что P-Z является более строгим и сложным в пилотировании по сравнению с Р-5 и ССС. Тем не менее машину внедрили в серийное производство параллельно с ССС. Выпуск Р-5 к тому времени уже прекратился. За 1935 г. удалось построить 11 P-Z, в 1936 г. — 885, в 1937 г. — 135 (всего 1020). Самолеты последних серий снабжались закрылками, новым приборным оборудованием, электрофицированными турелями ЭТУР-8/2.
Так же, как у Р-5 и ССС, существовал штурмовой вариант P-Z с двумя дополнительными пулеметами на нижнем крыле.
Один из P-Z в специально облегченном одноместном варианте (конструктор В. В. Никитин) использовали в качестве рекордного самолета. 7 мая 1936 г. летчик В. В. Шевченко достиг на нем высоты 10 380 м, а 8 мая — 11 100 м.
Для повышения высотности на одном P-Z установили мотор М-34НФсо взлетной мощностью 985 л.с., турбокомпрессором (он обозначался как Р-ТК) и трехлопастным винтом. Предполагалось заказать небольшую серию, но, ввиду прекращения производства машины, она не состоялась.
В ВВС по состоянию на 1 июля 1938 г. насчитывалось 574 P-Z. В отличие от Р-5 самолет не оставил большого следа в нашей авиации и был списан раньше последнего.
ВВС передавали машины без вооружения в ГВФ, где они под обозначением П-Z использовались для доставки грузов. Перевозить пассажиров на них не решились.
Надежный, неприхотливый и простой в пилотировании Р-5 широко применялся для проведения различных экспериментов.
На самолете проходили испытания разработанные в Газодинамической лаборатории первые образцы реактивных снарядов.
В 1933 г. был построен Р-5 с поворотными стойками для ускорения выхода самолета из штопора. Эксперименты проводил ЦАГИ. 9 мая 1933 г. самолет потерпел катастрофу. Подобные испытания продолжались уже на других машинах.
В том же 1933 г. на Р-5 испытывались приборы ВАП для распыления отравляющих веществ конструкции Вахмистрова.
Для Р-5 в Особом конструкторском бюро, возглавляемом П. И. Гроховским, был разработан транспортный грузовой контейнер ПД-КОР (1932 г.), сбрасываемые контейнеры для диверсионных собак Г-58 (1935 г.), система прокладки телефонного кабеля с самолета Г-55 (ПРК-5, 10, 30) (19331935), подвесные (под нижнее крыло) кассеты на 8 десантников Г-61 (1935 г.).
На Р-5 испытывалось V-образное оперение в двух конструктивных вариантах (1935 г.), немецкий дизель ЮМО-4 мощностью 600 л.с. с четырехлопастным деревянным винтом.
В 1937 г. Н. А. Чечубалин установил на Р-5 гусеничное шасси оригинальной конструкции.
В 1939 г. был создан управляемый по радио самолет Р-5 № 9414. Система управления имела в своем составе автопилот фирмы Сперри и аппаратуру радиокомандного наведения с частотной модуляцией, разработанную в конструкторской организации НКВД. Летные испытания показали, что система передачи действует ненадежно: наблюдаются сбои команд, их ложные срабатывания. Эволюции в воздухе самолет выполнял вяло, неудовлетворительно. Поэтому в заключении по летным испытаниям указывалось, что «телемеханический самолет… практического интереса для ВВС РККА не представляет и использован быть не может». И хотя опыт в разработке системы телеуправления оказался неудачным, он пригодился в послевоенное время при проектировании систем управления боевых ракет различных классов.
Еще об одном использовании Р-5 расскажем немного подробнее, ввиду его большого значения для последующего развития отечественной авиации.
В 1932 г. в СССР начались опыты по дозаправке самолетов в воздухе. Первоначально они проводились на бомбардировщиках ТБ-1. Однако из-за конструктивных особенностей ТБ-1 плохо подходил для роли заправщика и к тому же серийно уже не строился. В 1933 г. эти опыты было решено продолжить на основном нашем серийном четырехмоторном бомбардировщике ТБ-3, на котором в фюзеляже перед кабиной стрелков установили приемную горловину с крышкой и с трубопроводами к правому левому бакам. Общий вес дополнительной конструкции составлял 10,22 к г. В качестве заправщика использовался Р-5 с системой заправки и шлангом длиной 35 м, сматываемым на специальный барабан.
В полете Р-5, находясь впереди и немного выше ТБ-3, выпускал заливной шланг. Стрелки из фюзеляжной кабины ТБ-3 ловили конец и направляли его в приемную горловину, после чего осуществлялась заправка. Четыреста килограмм горючего переливалось за 15 минут, шестьсот пятьдесят — за 23 минуты.
Государственные испытания начались в НИИ ВВС 14 сентября 1933 г. и продолжались по 23 ноября 1933 г.
Всего было выполнено 24 полета с общим налетом 17 часов 13 минут. Летали Иващенко, Шавкин, Никитин.
В Акте по госиспытаниям указывалось, что «приспособление для переливки горючего из самолета Р-5 в самолет ТБ-3 государственные испытания выдержало», что для дозаправки не имеет значение направление ветра, высота полета, что конструкция аппаратуры позволяет производить дозаправку ТБ-3 в воздухе. Благодаря этому можно увеличить дальность полета с заданной бомбовой нагрузкой либо увеличить бомбовую нагрузку при заданной дальности. В качестве основного недостатка отмечалось, что сматывание шланга вручную после заливки на самолете Р-5 затруднено, в особенности в зимних условиях. Естественно, что доработка системы позволяла устранить этот дефект.
Однако в дальнейшем к идее дозаправки самолетов в воздухе командование ВВС стало относиться более сдержанно, практического использования в войсках она не получила. Используя накопленный опыт, Д. П. Григорович предлагал в своих последних проектах бомбардировщика и пассажирского самолета для межконтинентальных перелетов оснастить их системой дозаправки, выполненной по современной схеме.
Необходимо отметить, что сразу же после освоения серийного производства начали разрабатываться пассажирские модификации Р-5.
В 1931 г. на заводе № 39 по предложению А. Н. Раф-элянца Р-5 был перестроен в лимузин. В нем кабина летнаба была переделана в двухместную пассажирскую кабину (кресла напротив друг друга) и вместе с кабиной летчика закрыта одним большим прозрачным фонарем. Н. Н. Поликарпов консультировал разработку. Этот самолет часто показывался членам правительственных комиссий, в том числе С. Орджоникидзе.
В 1932–1933 гг. завод № 1 построил несколько таких экземпляров.