于1958年成立的国土防空军是苏联权限最高，也是最为重要的空中作战兵种。其必要的情况下可以对包括空军前线航空兵以及空军远程航空兵直接进行调动以消灭可能侵犯苏联领空的威胁。防空军的装备构成体系纷繁复杂，包括可以监视各个威胁方向的雷达预警体系与各类各种射程的防空导弹和高射炮构成的地面防空火力网，还有当时世界上规模最为宏大的截击机机队组成的歼击航空兵作为最为主要的防空作战手段，再由防空自动化指挥引导系统将神经一样将各个武器系统连接为一个整体。
由研制歼击机起家的米格设计局、苏霍伊设计局和雅可夫列夫设计局为防空军歼击航空兵部队提供了大量的先进作战飞机，但是这些飞机的作战半径以及独立作战能力难以保卫遥远的西伯利亚、远东地区以及极北地区。于是在20世纪50年代末防空军歼击航空兵邀请以设计轰炸机闻名于世的图波列夫设计局为其开发了苏联航空史上第一种也是唯一一种大型截击机，并作为防空军的主力在一个又一个极夜中默默地保卫联盟领空近30年，这就是图-128大型截击机。
图-28大型截击机原型机计划
在1961年7月9日，当最后一型超音速作战飞机从莫斯科上空掠过，喷气式发动机悦耳的轰鸣响夹杂着航空煤油的清香弥漫红色帝国的心脏。在本年度的土希诺航展上向铁幕两侧的两大阵营展示的飞机中就包括一架大型双座超音速截击机的原型机。事实上此型飞机目前只存在两架—— 一架仅有的原型机和第一架生产型飞机，此时图波列夫设计局和生产厂家刚刚着手于准备各类高强度高复杂度的测试和改进计划。苏联人之所以急于向世界揭开大型截击机计划神秘的面纱是因为要向世界显示联盟不仅拥有足够的资源来生产先进的弹道导弹和宇宙飞船，同时也有足够的能力来为各种任务制造一流的作战飞机。
然而，这时的苏联航空工业的真实情况并不是像土希诺航展所展示出来的那么风光。由于苏共中央总书记尼基塔·赫鲁晓夫所倡导的导弹制胜论和常规武器无用论，很多航空武器设计局都转型于设计其他产品，就连大名鼎鼎的拉沃奇金设计局（OKB-301）也不得不另谋生路，一部分飞机制造厂也开始转型生产导弹和宇航设备。此时的苏联军方非常热衷于发展导弹武器系统，而几乎没有给载人航空器留下发展空间；只有可以作为导弹载机的项目才有一线的希望。图-128就是度过了这个艰难时期的幸运儿之一，所谓大难不死必有后福，在之后的岁月中，图-128作为国土防空军手中的利剑捍卫苏联领空近30年。
1957年国土防空军歼击航空兵部队司令叶夫根尼·萨维茨基元帅对图-98轰炸机产生了浓厚的兴趣。他了解了这种轰炸机的性能指标后将图波列夫叫到自己的办公室，建议在图-98的基础上开发一种装备空空导弹和功能强大的雷达的大型截击机交付国土防空军使用。图波列夫和萨维茨基详细探讨了国土防空军的需求之后找到了图波列夫设计局技术部主管谢尔盖·杨格尔来研究技术细节并打算用图-98作为起点。
在一整年的关于远程截击机的研究中，这个项目获得了一个设计局内部编号：“项目128”。
进一步的发展计划由项目工程师巴巴诺夫制定，他也负责带领作战效能评估小组对整个武器系统的作战潜力进行评估；杨格尔则是负责整个项目的总抓工作。图波列夫设计局几乎所有的部门都参与了自动化数据处理系统的研制，著名的空气动力学专家古宁和贝科娃以及很多专家则致力于为苏联的第一种大型截击机制定一个最佳的任务飞行模式。
直到1958年，一个关于以装备导弹的截击机为中心建设一套空中截击武器系统的提议被提交给了苏联部长会议，此时“项目128”才正式获得了官方的支持并且确定了其用户——国土防空军。
1958年3月，在部长会议正式指示下发之前，“项目-128”的进一步发展规划就已经确定了。图波列夫设计局全面负责“项目128”大型截击机的设计工作，其临时编号为“图-28”，飞机挂载K-24空空导弹作为“图-28-24”武器系统的一部分。在此阶段的总体布局非常类似于“项目98”和“项目122”方案，尤其是在翼型上：机翼的后缘是完整的，主起落架被安放在机翼上向机体收回。在后来的设计方案中翼型和起落架的布置方式都有改变，机翼前缘内侧后掠角加大，形成了一个微小的转折，主起落架被改为向机翼后缘的起落架舱中收回。这种主起落架排布方式是图波列夫设计局在20世纪50到60年代的典型设计，就是收回时旋转180度倒置在起落架舱里，这种设计第一次应用是在图-16轰炸机上。武器系统也做了相应的调整，而机身的轮廓并没有什么的改变。
1958年6月4日联共中央委员会和部长会议下达了关于“图-28-80”武器系统的宏观任务规划书，8月28日又下达了一份类似的指导性文件，紧接着航空工业委员会也下达了一份关于此项目发展的文件。这些文件为图-28超音速大型截击机项目指定了发动机，第一种选择是留里卡设计局带加力燃烧室的AL-7F-2，另一种是弗拉基米尔·多勃雷宁领导的第36设计局（OKB-36）的带加力燃烧室的VD-19发动机（在当时看来似乎后者会按时交付）。沃尔科夫领导的第339航空电子设计局（OKB-339）负责RP-S“龙卷风”火控雷达的研发，同时由比斯诺瓦特执掌的第4设计局（OKB-4）来研制K80空空导弹（像苏联的很多空空导弹一样有红外制导和半主动雷达制导两个型号，苏联最后一种一弹两型的空空导弹是因为基本没有准而声名在外的R-27）。根据部长会议的指示文件新型截击机要在1960年第一个季度开始工厂试飞，在第四季度开始国家验收试验。
前文已经提到过，新型截击机以及其武器系统在图波列夫设计局内以“项目-128”的代号进行。在此项目获得了联共中央和部长会议的批准正式启动后，马尔科夫被任命为总工程师。由于其在图-22（项目105）超音速轰炸机和其他一些民用飞机（包括图-134支线客机等）的设计工作中担当重要角色，在1959年夏天被奈兹瓦尔提名为“项目128”的负责人，后者曾经组织过图波列夫设计局多型轰炸机的量产工作，是图波列夫设计局中举足轻重的人物。整个项目的高度复杂性不仅体现在设计工作的繁重上，更体现在如何协调各分系统单位的研制计划与总体单位（笔者认为由于在体制编制上的巨大差异，在描述苏联国防项目时不适宜用西方的分包商或者子承包商一词）计划之间相互配合上，而奈兹瓦尔正是看上了马尔科夫在这一方面所表现出来的卓越能力。
在设计工作开始的一整年之后的1959年6月图波列夫设计局向防空军提交了基于风洞试验数据和一些设计局内部研究成果的先进截击机研制计划。这个计划清楚地指出了图-28-80武器系统在在整个联盟的防控体系中所扮演的角色。所携带四枚K-80导弹中的两枚是拥有迎头攻击能力的半主动雷达制导型，另外两枚的导引方式是红外制导用于尾随攻击或者在复杂电磁环境下使用。根据估算两枚导弹攻击一个目标将其击落的成功率将达到76%-77%。图-28-80系统的特别之处在于，不用像米格-21、苏-9等截击机一样在攻击目标时必须爬升到与敌机相同的高度上，K-80的远射程和摧毁在相对载机高得多的高度飞行的目标的能力使得载机可以在相对较低的高度发射导弹，这就是所谓的上视上射（其实在那个年代这也是一个不得已的选择，高打低虽然可以获得更大的射程但是当时没有对付地面背景杂波的有效方法，雷达下视的结果就是对于目标的发现和锁定距离大大减小，导弹的命中率也会严重下降）。这意味着大多数高G机动都将由导弹而非载机来完成，这就使得载机的过载可以限制在2.5以内，可以减少很多结构重量，而导弹必须承受得住高达15G的过载才行。在攻击高空飞行的目标时飞机将以20°的攻角爬升，同时使“龙卷风”雷达达到70°最大仰角，这样做的目的是减小机头直径和降低飞行阻力。雷达的远程搜索跟踪能力和导弹可观的射程赋予了图-28-80系统强大截击能力。
图-28-80系统另一个特点是巨大的作战半径和飞机自身高度的自持力。飞机可以再预想任务区域内巡航3到3.5小时，作战半径高达1500千米，这就意味着来袭的轰炸机群或者巡航导弹还未进入苏联领空时就会被击毁。龙卷风雷达可以在很远的距离上精确地截获目标并将其锁定引导载机飞向目标，这就使得图-28-80系统可以在没有防空自动化指挥系统的导引下独立作战。当年为了完善苏联的导弹防御预警体系，苏联人建立了多部覆盖各个方向的巨型雷达，但是由于有的雷达所在之地极其偏远，不得不在雷达附近建立一座小型核电站来专门为其供电，相比之下防空自动化指挥系统的地面站非常多，如果要以这种方式建立覆盖联盟各个角落的防空网（比如极北地区、西伯利亚、远东地区），其所投入的资源无疑将是任何一个国家都不能承受的，而图-28-80系统就可以填补这些空白。届时，苏联领空将被国土防空军的爪牙们封锁地如铁桶一般，也意味着苏联防空体系彻底建成和完全封闭。
图波列夫设计局的专家们在气动布局和结构设计上可谓是绞尽脑汁，他们想设计一种在亚音速和超音速巡航以及起降过程中都表现良好的最优的构型。图-28被设计成有一个标志性切尖单垂尾的中单翼飞机。为了在超音速阶段达到尽量高的飞行速度和在0.85马赫时尽量长的续航力，机翼被设计成后掠56°的薄翼型，机身按面积率设计以达到最小的飞行阻力。这样的布局使得飞机在亚音速时的升阻比达到了9.85；阻力系数也令人满意，在1.5马赫时为0.0365。
乘员为两人，一名飞行员，一名武器官。武器官在实际执行任务时可担任多重角色，在一定程度上减轻了飞行员的压力。在攻击目标过程中两名成员将按如下的方式分配各自的工作：目标被锁定后，飞行员根据雷达信息或者地面指挥系统的引导驾驶飞机飞向目标并且发射导弹；武器官在此过程中将担任领航员的角色，利用RP-S雷达搜索目标并且进行敌我识别最终锁定目标同时与指挥部保持联系。这种导航模式后来被从苏联空军远程航空兵借用，因为后者同样要在缺乏地面引导的地区独自执行任务。
跟图-98一样，图-28的发动机也是AL-7F-2，由布置在机身的两侧的半圆形进气道进气。与前者不同的是，图-28的两个进气道前端各有一个二波系激波调节锥。开缝襟翼、空气制动装置、减速伞和四轮主起落架上的刹车装置保证了图-28较短的降落滑跑距离。是图-28的飞控系统是由液压驱动的机械传动系统，还有一套电动系统作为备份。
1959年8月防空军正式批准“图波列夫设计局先进截击机发展计划”并下达了制造原型机的命令。1960年1月防空军项目评审委员会对全尺寸模型和在其中安装的一些设备了积极的评价，同时也提出了一些改进意见。设计人员针对其中一些关于关于机载设备的建议对设计做了修改，由于此时原型机的生产工作已经开始，所以对气动设计没有进行改动。
当新型截击机还在设计阶段的时候，苏联航空工业委员会就已经着手安排原型机的测试工作，他们将很多现役的作战飞机改装成无人驾驶的靶机以供给完善和测试新型截击系统图-28-80之用。其中包括由伊尔-28战术轰炸机改装而来的M-28靶机，以及雅克-25RV高空侦察机的无人衍生型号雅克-25RV-I和雅克-25RV-II。在平时，雅克-25RV的这两种改装型号的任务是模拟在高空飞行的西方侦察机来训练截击机飞行员，训练中拦截飞机只装备一门照相枪，如果靶机出现在其所拍摄的照片中则表示击落。改装一架图-16轰炸机和KSR-2反舰巡航导弹的计划也在考虑之中，两者分别赋予编号图-16M（M-16）和KRM，这两型靶机也之后的一段时间造了出来。
自从图波列夫设计局开始进行整个武器系统的总体设计时，负责分系统的单位也在紧张地工作着。防空军要求龙卷风雷达要能够在50千米发现目标，30-40千米锁定。看上去这个指标并不算高，但是考虑到重量和尺寸的限制，而其预想的作战对手是装备当时各种各样世界最尖端的电子对抗设备的美军纵深打击机群，无疑龙卷风将在世界上最严酷的电子战环境下工作。因此这对于负责雷达系统设计的沃尔科夫团队是个不小的挑战。
K-80导弹将是苏联的第一种具有全向攻击能力的空空导弹，其卓越机动性和可攻击目标速度高度范围之广在苏联空空导弹历史上也具有里程碑的意义。根据发射条件不同，导弹速度将在200-1600m/s（720-5760km/h）这个区间里。在如此广阔的速度范围内，如果弹载飞行控制设备和引信不能根据导弹与目标的相对速度做出准确的判断达到理想的命中率将是不可能的，由于弹内空间的有限和当时电子技术水平的限制这将是导弹研制过程的主要的技术难点。经过相关的理论论证，比斯诺瓦特设计团队提出了一个有效的解决方案：在导弹发射的时由载机向导弹输入目标诸元，这样就不必在弹体内部安装大量复杂的计算设备。相比于此时苏联的其它空空导弹，K-80的机动性非常出色，较低的翼载和高的推重比使其横向最大过载可以达到21G。
K-80的导引系统应用了比例导引律，采用了方向舵后置的传统气动布局。三角形的弹翼和梯形的尾舵成X形配置，采用了海平面推力达到24500千牛的固体火箭发动机，导弹在飞行中由自动驾驶仪控制，拥有一个重量为53.5千克的破片战斗部，一个无线电近炸引信和一个机械式保险装置。它可以攻击速度高达2000km/h高度为8000-21000米的目标，这已经超过了载机的巡航高度，对于在此范围内的目标，根据载机速度和高度不同，导弹射程为2到25km。K-80长5.45m，弹体直径315mm，发射重量483kg，由APU-128专用挂架挂载机翼上，红外制导型号在机翼内侧，半主动雷达制导型号在外侧。
接下来的主要工作是调试雷达并且将其与其他系统集和导弹成在一起进行试验。图波列夫、沃尔科夫和比斯诺瓦特设计局的相关人员在经过讨论后决定把龙卷风雷达装在“项目98LL”（由唯一一架图-98轰炸机原型机改装而来）和图-104LL（由一架图-104A改装而来）电子设备测试机上进行相关测试。有趣的是后者实际上装上了全套的导弹发射控制设备并且在试验中充当了K-80原型弹的载机。对于所有参试人员来说，在图-28-80武器系统开始测试到交付防空军使用这段时间，必将是一段漫长而艰辛的岁月。
图-98LL“龙卷风”雷达测试机
1960年上半年，图波列夫设计局工厂一直为原型机的生产和组装忙碌着，并且在这年夏天完成了第一架原型机的组装工作。7月12日，首架原型机被运到茹科夫斯基的图波列夫设计局试验站，在那里装上了最后的设备完成了了地面调试。由高级项目工程师坎特领导的专家组监督整个试飞工作的进行，这个团队中由包括空气动力学、结构力学、飞行器动力、系统工程和武器装备方面的专家组成，卡明斯基担任负责地面技术支持的总工程师。
新型截击机的首飞备受瞩目，由上尉科兹洛夫担任驾驶员，来自亚美尼亚的飞行员马尔哈相担任武器官。图波列夫设计局的试飞员阿加波夫、别索诺夫、鲍里索夫、莫尔恰诺夫、尼古拉耶夫、巴热诺夫和科洛索夫也准备担任图-128原型机的试飞员。在此之前，他们已经在苏-9和雅克-27上做了相应的适应性训练。原型机试飞刚刚开始，由图波列夫设计局资深工程师带领的图-104LL电子设备试验机的人员也加入到了新型截击机试飞团队中，他们负责解决在试飞过程中遇到的雷达和武器系统方面的问题。
苏联官方称“项目128”（图-28）原型机的试飞工作于1961年1月23日开始，并在2月27日进行了第一次地面滑跑试验并且持续到了5月中旬。5月15日原型机首飞，在此前几天进行了300米高速滑跑试验，三天后试飞员科兹洛夫和马尔哈相驾驶飞机进行了首次30分钟飞行试验。5月21进行了第二次长时间试飞，在此之后进行了一些必要的维护并且换了新发动机。
别索诺夫驾驶飞机做了第七次试飞进行了操纵性能和起降性能的测试，四天后，原型机进行了首次超音速飞行，速度达到1.06马赫。
在外形上原型机与生产型以及后来的量产型飞机有两处不同，一出是机腹中央有一个装有测试设备的黑色整流罩，另一处是机尾的两片增加航向稳定性的梯形腹鳍。
6月23日，图波列夫设计局开始为安排图-128原型机在本年土西诺航展的飞行表演训练，这也是它在公共场合第一次露面。在本次航展中其翼下挂载的是两枚K-80导弹的模型，而在之前的试飞中并没有导弹模型的出现。这次表演飞行很顺利没有出现意外情况，这是图-128原型机的第31次飞行。在此之后苏联的报纸开始在很模糊地称图-128原型机为新型双座超音速飞机，当然并没有写出编号，因为这是被明令禁止的。而另一方面原型机机腹的那个巨大的测试设备舱整流罩则极大地迷惑了西方军事专家，他们认为其中是一部可执行多功能雷达的天线。尽管图-128原型机的机体如同一架轰炸机一样大，但是其翼下挂载的两个导弹模型使西方专家认定这是一架截击机，并且赋予其“大提琴手”的北约编号。
土西诺航展之后直到7月末，首架原型机一直处于整修状态，没有飞行任务。在工厂试飞完成之后，首架原型机和首批四架飞机开始参与国家验收试飞。在此后的试飞中，去掉了测试设备舱和腹鳍，并且加装了内侧导弹挂架。1967年“项目128”被用来评估该型号飞机对简易机场的适应能力，还用来做一些紧急情况下的安全性测试，比如襟翼损毁时的起降能力、耐压测试、供氧系统以及VMSK-2海上救生衣的测试。说到VMSK-2在当时看来性能达到了很高的水平，它可以维持一名飞行员在冰冷海水中浸泡50个小时，缺点是在穿着时必须有人协助，当然了俄国人做的东西舒适性向来是居于次要地位的，苏联海军航空兵的飞行员说这种救生服领子上的橡胶圈可以让他们的脖子在穿着过一次后发十年的痒，可见这种给他们保命的衣服舒适性之恐怖。首架原型机是图-128飞机中极少数被保存完好的幸运儿，试飞工作完成后其被交给位于莫尼诺的苏联空军博物馆（现俄罗斯中央空军博物馆）作为展品。
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