Экспериментальный самолет Е-150 был создан для отработки в полёте нового двигателя А.А.Микулина и С.К.Туманского Р-15-300, разработки системы самолёт-двигатель и подготовки аппарата для создания на его основе следующего поколения истребителей-перехватчиков. Основные задачи Е-150 в системе «У-5» формулировались так: автоматическое наведение на цель и автоматическая атака, перехват и уничтожение бомбардировщиков противника на сверхзвуковых скоростях в любых метеоусловиях и при отсутствии оптической видимости. Самолёт должен был строиться в двух экземплярах со следующим вооружением: - первый опытный с двумя управляемыми по лучу бортового локатора ракетами типа К-бв или К-7в; - второй опытный с подвижной в двух плоскостях стрелковой установкой, состоящей из двух пушек ТКБ-495 калибра 30 мм.

Самолёт Е-150 даже внешне резко отличался от всех ранее построенных машин. Самолёт представлял собой среднеплан с треугольным крылом и фюзеляжем круглого сечения. Фюзеляж напоминал трубу с практически одинаковым диаметром по всей длине. Треугольное крыло малого удлинения, аэродинамика которого уже была хорошо отработана на опытных истребителях Е-4 и Е-5, имело стреловидность по передней кромке 60°. Цельнолитой фонарь, открывавшийся вверх вперед, был без лобового стекла и плавно переходил в гаргрот, тянувшийся к основанию киля. Цельнолитой фонарь, открывавшийся вверх-вперед, не имел лобового стекла и плавно переходил в гаргрот, тянущийся к основанию киля. Остекление фонаря выполнялось из 12-миллиметрового стекла Т2-55, способного выдерживать температуру аэродинамического нагрева до 170 °С. В кабине лётчика устанавливалось шторочное катапультное кресло.

Воздухозаборник большого диаметра имел центральное тело в виде конуса. В носовой части фюзеляжа устанавливался «многоскачковый» конус из диэлектрического материала, состоявший из трех ступеней. В нём располагалась антенна радиолокационной станции «Ураган-5Б». Эта РЛС с большой дальностью обнаружения цели могла работать в режиме обзора и сопровождения цели. РЛС была сопряжена с системой управления огнем и приемной телекомандной системой, а также автопилотом управления. Взаимодействие этих устройств обеспечивало в любых погодных условиях и в любое время суток выполнение направляемого с земли автоматического полета в заданную зону с последующим захватом цели сигналами РЛС и выполнением атаки при совмещении цели с меткой радиолокационного прицела самолёта.

Для улучшения путевой устойчивости на больших скоростях под фюзеляжем в хвостовой части монтировался аэродинамический гребень. В нижней части фюзеляжа также располагались три тормозных щитка. Для сокращения длины пробега применялся тормозной парашют ПГ-5605-58 площадью 18 м2. На нижней поверхности каждой консоли крыла предусматривалась установка по одному пилону для подвески ракет класса «воздух-воздух».

Самолёт Е-150 рассчитывался для полётов со скоростью порядка 2800 км/ч на высотах 20000-25000 м. Двигатель Р-15-300 с самого начала предназначался для испытаний на беспилотном самолёте и имел совсем небольшой ресурс. Этот ТРД, развивавший максимальную тягу 6840 кгс и форсажную тягу 10150 кгс, имел специальный эжектор, который позволял развивать суммарное тяговое усилие 19 800 кгс на скоростях полета М=2,4-2,5 и существенно уменьшить донное сопротивление. Согласно последнему варианту эскизного проекта топливная система Е-150 состояла из пяти мягких фюзеляжных и двух крыльевых баков. Общая емкость топливной системы составляла 4750 л.

Во всех каналах системы управления истребителя использовались необратимые бустеры. Аварийное управление осуществлялось электромеханизмами. На самолёте применялись две автономные гидросистемы - общая и бустерная. Общая гидросистема обслуживала шасси, закрылки, тормозные щитки, обечайку конуса воздухозабоника, противопомпажные створки и дублировала бустернуюо систему в случае её отказа. Основные стойки шасси при уборке укладывались в консоли крыла параллельно строительной плоскости, а колеса убирались в фюзеляж под углом 55° к строительной плоскости крыла. Передняя стойка с тормозным колесом убиралась против потока. В связи с высоким аэродинамическим нагревом самолета на больших скоростях, наиболее теплонапряженные элементы конструкции должны были выполняться из термостойких материалов (например, из нержавеющей стали).

Е-150 был построен в декабре 1958 г. До июня 1959 г. шли проверки системы управления и других систем самолёта. После установки на заводе лётного варианта двигателя Р-15-300 машина вновь поступила на аэродром 30 декабря. В процессе наземных испытаний двигатель пришлось заменить, и перехватчик оказался готовым к испытаниям лишь к середине 1960 г. 8 июля 1960 г лётчик-испытатель ОКБ А.В.Федотов поднял его в воздух. Заводские испытания продолжались до 25 января 1962 г. Всего было выполнено 42 полёта. Самолёт показал очень хорошие лётные характеристики, но во время испытаний возникали проблемы с силовой установкой. В серийное же производство перехватчик можно было запускать только с хорошо отработанным и надежным двигателем.

В серийное производство Е-150 запущен не был, однако на основании опыта разработки и испытаний самолёта (а также его модификаций Е-152 и Е-166), проводившихся в течение ряда лет, были созданы опытный самолет Е-266 и на его базе серийный всепогодный сверхзвуковой истребитель.

Самолёт Е-150 представляет собой свободнонесущий моноплан с треугольным среднерасположенным крылом и стреловидным оперением. Крыло самолета с относительной толщиной профиля ~3,5% и углом стреловидности по передней кромке 60° выполнено по многолонжеронной схеме и имеет обшивку из монолитных фрезерованных панелей. Корневые части крыла оборудованы закрылками, а концевые - элеронами. Приблизительно на половине размаха каждой консоли размещены пилоны с замками крепления боевой нагрузки. При этом конструкция пилонов такова, что они охватывают переднюю кромку крыла, образуя небольшой аэродинамический гребень на верхних поверхностях консолей. Фюзеляж самолёта с круглым сечением в носовой и центральной частях и эллиптическим в хвостовой выполнен в соответствии с правилом площадей. В удлиненной носовой части расположены центральный воздухозаборник, кабина пилота, отсеки оборудования и ниша уборки передней стойки шасси. Герметичная кабина пилота с фонарем, выполненным из единой плиты стекла (не считая отдельного лобового остекления), оборудована катапультируемым сиденьем класса 0-0. В центральной части фюзеляжа расположены воздушные каналы двигателей, топливные баки и двигательный отсек.

Хвостовая часть самолёта - отъемная. На ней крепятся управляемый стабилизатор и обычный киль с рулем направления. Передняя кромка киля в корневой части выполнена криволинейной, плавно переходящей в надфюзеляжный гаргрот, сочлененный с фонарем кабины пилота. Для повышения путевой устойчивости на хвостовой части самолёта установлены также два подфюзеляжных киля большой площади с углом развала 70°. Для привода управляющих поверхностей самолёта используется гидравлическая система с необратимыми бустерами. На случай выхода из строя основной системы предусмотрена аварийная - электрическая. Шасси самолёта - трехстоечное, нормальной схемы с одинарными колесами и пневматиками высокого давления. Передняя стойка убирается вперед, в фюзеляж, главные - в крыло, по направлению к фюзеляжу.

Самолёт Е-150 снабжен радиолокационной станцией со значительной дальностью обнаружения цели, работающей в режиме обзора и сопровождения. Кроме того, в составе бортовой аппаратуры имелись автопилот, система управления огнем и приемная телекомандная система. С помощью указанных устройств самолёт мог осуществлять автоматизированный полет в зону нахождения цели в любых погодных условиях и в любое время суток. Самолёт оснащался двумя турбореактивными двигателями, которые располагались рядом в горизонтальной плоскости, в хвостовой части фюзеляжа. Тяга двигателей на форсаже составляла около 73,6 кН (7500 кГ). На самолете использован общий для обоих двигателей лобовой регулируемый воздухозаборник с центральным телом, выполненным в виде подвижного конуса. Самолёт Е-150 вооружен двумя управляемыми ракетами класса "воздух-воздух", которые устанавливаются на подкрыльных пилонах.

Тактико-технические характеристики Е-150
Экипаж   1
Размах крыла, м   8.49
Длина, м   18.44
Высота, м   
Площадь крыла, м2   34.62
Масса, кг   
- пустого самолета   8276
- максимальная взлетная   12435
Тип двигателя   1 ТРДФ Р-15-300
Тяга, кгс   
- нефорсажная   1 х 6840
- форсажная   1 х 19800
Максимальная скорость , км/ч   2681
- у земли   1270
- на высоте   2890 (М=2.7)
Практическая дальность, км   1500
Максимальная скороподъемность, м/мин   6000
Практический потолок, м   23250
Вооружение:   2 УР К-7, К-8 (АА-3) или К-9