Во второй половине 1950-х гг. ОКБ-155 приступило к модернизации самолёта-снаряда КС-1. Работы шли в двух направлениях: совершенствование системы управления и наведения и создание варианта ракеты, оснащённого ЖРД. 29 апреля 1957 г вышел приказ МАП, который поручал ОКБ-283 создание на базе новейшей самолётной РЛС «Рубин-1» новой системы управления и наведения «Рубикон» для самолётов-снарядов КС и КСР. Диапазон волн, применённый в системе «Рубикон», позволял получить более высокую разрешающую способность и увеличить дальность обнаружения целей, по сравнению с предыдущими системами, при приемлемых размерах антенны. Экспериментальный образец системы должен был быть готов в 3-м квартале 1957 г ОКБ А.Н.Туполева необходимо было подготовить к июлю 1957 г документацию на переоборудование носителя Ту-16КС под новую систему получившую индекс Ту-16К-16 (другие названия - Ту-16КСР, Ту-16КСР-2).

В ходе проектирования филиал ОКБ-155 остановился на варианте КСР, оснащённом ЖРД, как на более перспективном. В 4-м квартале 1958 г два экземпляра Ту-16 («заказ 245»), оборудованных под установку системы «Рубикон» (один под КС и один — под КСР), передали на полигон в Багерово. С 1 июля по 15 ноября там провели совместные лётные испытания новой противокорабельной крылатой ракеты КСР С самолёта Ту-16КСР запустили 11 снарядов на дальность до 100 км, из них шесть — по кораблям, а остальные — по наземным целям, обозначенным уголковыми отражателями. Из шести пусков по кораблям было отмечено четыре прямых попадания, один промах и один пуск не был зачтён из-за отказа станции наведения. ЖРД разработки ОКБ A.M.Исаева типа С2.721В работал надёжно, его запуск происходил безотказно в момент отцепки самолёта-снаряда на всех высотах пуска от 4000 до 10000 м и скоростях носителя 400-500 км/ч. Испытания показали, что установленная на КСР новая радиолокационная станция наведения КС-ПМ обеспечивает при работе по наземной цели с высоты 4000-10000 км обнаружение на дальности до 200 км и устойчивое автосопровождение цели на дистанции 160-180 км. При пусках по морским целям дальность обнаружения и взятие на автосопровождение зависели от многих факторов, в том числе от типа цели и направления захода.

Развитием КСР стал самолёт-снаряд КСР-2 и комплекс К-16, созданный на его основе. Комплекс состоял из КСР-2, носителя Ту-16КСР-2 (Ту-16К-16) и системы наведения «Рубикон». КСР-2 был выполнен по нормальной схеме среднеплана со стреловидным крылом и стреловидным же хвостовым оперением. На нём устанавливался ЖРД С5-6 с максимальной тягой 1200 кг. Система радиоуправления с бортовой РЛС КС-ПМ была связана с самолётной РЛС «Рубин-1». Боевая часть могла быть обычной (по наземным целям), увеличенной мощности (по кораблям) или ядерной. Масса снаряда — 4100 кг, максимальная скорость полёта — 1260 км/ч, дальность — до 140 км.

Обслуживание системы «Рубикон» производилось штурманом, что достигалось автоматизацией процесса прицеливания и захвата цели. Необходимость в операторе пропала, и дополнительная кабина в бомбоотсеке оказалась не нужна. На все операции по подготовке к пуску самолёта-снаряда штурман тратил не более минуты.

Комплекс К-16 в период с 25 октября 1960 г по 30 марта 1961 г проходил совместные испытания. По их результатам он был рекомендован для принятия на вооружение. Учитывая успешный ход работ, ГКАТ предложил в январе 1961 г переоборудовать 100 самолётов Ту-16КС и 300 Ту-16А под носители КСР-2 с системой «Рубикон». Но 4 февраля 1961 г вышло постановление Совета Министров, которое уточняло требования к системе и повлекло за собой дополнительные доработки и испытания системы наведения. Лишь после осуществления этих мероприятий и испытаний, проведённых в июле—августе 1961 г и показавших эффективность доработок, система К-16 была принята на вооружение постановлением Совета Министров от 30 декабря 1961 г.

Начиная с 1962 г на ремонтных предприятиях ВВС и морской авиации началось переоборудование Ту-16КС и Ту-16А в Ту-16КСР-2. В 1962 г приступили к контрольным испытаниям двух первых Ту-16КСР-2. Один был переделан из Ту-16КС, второй — из Ту-16А. Эти головные машины отличались от самолётов, проходивших испытания в 1960 г, аппаратурой «Рубин-1 К» вместо «Рубин-1», заменой балочных держателей БД-245 на БД-352, автопилотом АП-6Е вместо АП-5-2М, установкой навигационной системы ДИСС-1 и кое-чем ещё. Целью испытаний являлась проверка соответствия основных лётно-технических данных системы К-16 постановлению о принятии на вооружение. Они продолжались до лета 1964 г с перерывами на доработки. В конце концов, была подтверждена целесообразность принятия системы на вооружение.

На самолёте могли подвешиваться две или одна ракета КСР-2. Ту-16КСР-2 мог применяться и как носитель ядерного оружия, если машина переоборудовалась из Ту-16А. В бомбардировочном варианте сохранялась возможность подвески того же тоннажа и калибров бомб, что и на серийных Ту-16 и Ту-16А. Прицелы РБП-4 и ОПБ-11РМ на ракетоносцах снимали, но аппаратура системы «Рубикон» полностью обеспечивала функции навигации и бомбометания.

Впервые в отечественной практике для системы К-16 применили метод дальнего самонаведения для самолётов-снарядов класса «воздух-поверхность». Поиск цели производился самолётной РЛС «Рубин-1К», с которой информация передавалась в систему наведения КСР-2. По этим сигналам антенна РЛС КС-ПМ на КСР-2 направлялась на обнаруженную цель, далее она захватывалась системой самонаведения, которая переходила в режим автосопровождения. После этого производился пуск КСР-2 (отцеп его от носителя и запуск ЖРД), и Ту-16КСР-2 мог отворачивать от цели, что уменьшало возможность его уничтожения средствами ПВО. При создании системы управления «Рубикон» частично использовали штатную навигационно-бомбардировочную аппаратуру Ту-16, что дало возможность упростить технологию переоборудования самолётов в Ту-16КСР-2 и позволило выполнять работы в условиях ремонтных предприятий ВВС и морской авиации.

Переоборудованные под комплекс К-16 самолёты имели в производстве обозначение «заказ 352», а в эксплуатации — ТУ-16КСР-2, Ту-16К-16, «НКСР-2» или «НК-3». Иногда указывалось, из какой модификации машина переоборудована: например, Ту-16А-КСР-2 («заказ 352А») или Ту-16КС-КСР-2. Эти работы шли в течение всей первой половины 1960-х гг, но в результате Ту-16КСР-2 возникло сравнительно немного. Причиной стало решение о создании комплекса К-11-16, рассчитанного на применение как ракет КСР-2 с активной головкой самонаведения, так КСР-11 с пассивной головкой. Впоследствии некоторое количество Ту-16А-КСР-2 переделали в Ту-16КСР-2А, способные нести на внешней подвеске бомбовую нагрузку до 10 т («заказ 684/1»), Эти работы были инициированы анализом успешных ударов израильских ВВС по арабским аэродромам во время «шестидневной войны», В начале 1970-х гг на Ту-16КСР начали устанавливать аппаратуру РЭП СПС-100 «Резеда» и СПС-5 «Фасоль»; эти машины именовали Ту-16КСР-ИС. В 1970-е гг Ту-16КСР-2 переделывались в Ту-16КСР-2-5 («заказ 386А») — составную часть комплекса К-26,

Тактико-технические характеристики Ту-16КСР-2
Экипаж, чел   7
Размах крыльев, м   32.99
Длина, м   34.80
Высота, м   10.36
Площадь крыла, м2   164.65
Масса, кг   
- пустого самолета   39200
- нормальная взлетная   79000
- топлива   30300
Тип двигателя   2 ТРД РД-3М
Тяга, кгс   2 х 9500
Скорость, км/ч   
- максимальная   980
- крейсерская   800-850
Практическая дальность, км   3900
Боевой радиус действия, км   1900
Практический потолок, м   11900
Вооружение:   семь 23-мм пушек АМ-23 ( три спаренные башенные установки с дистанционным управлением и одна неподвижная пушка в носовой части).
  боевая нагрузка - 9000 кг в отсеке оружия
  бомбы до ФАБ-9000
  2 КР класса воздух - поверхность КСР-1(2)