Рассматривалась возможность оснащения Ту-28А системой дозаправки топливом в полете. В 1963 году были закончены стендовые испытания ВД-19, к 1964 году были закончены летные испытания на летающей лаборатории, два двигателя были направлены в ОКБ А.Н.Туполева для установки на прототип Ту-128А - летающую лабораторию Ту-128ЛЛ с двигателями ВД-19. Ту-128ЛЛ с новыми двигателями начал летать в 1965 году. Испытания показали, что постановка новых двигателей дает увеличение максимальной скорости всего на 110-120 км/ч, не удалось достичь даже 2000 км/ч, а по заданию и по предварительным расчетам максимальная скорость должна была достигать 2100-2400 км/ч. Ясно было, что в лоб проблему не решить, необходимо было менять аэродинамику самолета. Это было осуществлено в работах над проектом "138" (Ту-138), а работы над проектом "128А" постепенно были свернуты и к 1968 году полностью прекратились.

Работы по самолету и комплексу проекта "138" начались в ОКБ в 1962 году, являясь логическим продолжением работ над проектом "128А". В ходе выбора схемы самолета шли по трем направлениям: минимальных изменений по отношению к исходной компоновке Ту-128, с сохранением компоновки фюзеляжа с использованием нового крыла и с использованием совершенно новых компоновок. Наиболее детально был проработан второй вариант. Самолет-носитель Ту-138 сохранял общую компоновку Ту-128, силовая установка базировалась на использовании двигателей ВД-19, улучшение аэродинамики достигалось за счет нового аэродинамически чистого крыла с меньшей относительной толщиной и новой формой в плане. В отличие от Ту-128, основные стойки шасси с колесами на самолете "138" убирались в корневые части крыла и частично в фюзеляж.

Самолет-носитель должен был использоваться для двух комплесов Ту-138-60 и Ту-138-100. В первом случае на машину устанавливалась РЛС "Смерчь-А" и ракеты типа К-60, во втором - РЛС "Гроза-100" и ракеты К-100. Предусматривалась возможность использования ракет типа К-80 (Р-4) комплекса Ту-28-80 (Ту-128С-4). Модернизация самолета-носителя, новые РЛС и ракеты должны были значительно расширить возможности комплекса по перехвату скоростных целей. Например, максимальная скорость с ракетами увеличивалась на 800 км/ч, увеличивалось время барражирования, улучшались взлетно-посадочные характеристики, увеличивались дальности обнаружения и захвата целей РЛС и дальности действия ракет.

В ходе проектирования самолета "138" на моделях были проведены аэродинамические исследования, которые показали, что получить необходимое аэродинамическое качество на крейсерском дозвуковом режиме полета получить не удается из-за значительного увеличения миделя фюзеляжа (ВД-19 и новые РЛС имели больший диаметр), а следовательно под вопрос ставилось достижение необходимой дальности и продолжительности полета, что являлось одним из важнейших требований к перехватчику. Неблестящими с новым тонким крылом получались и взлетно-посадочные характеристики. Для решения возникших проблем были предложены различные пути доработки проекта. Хотели ввести систему дозаправки топливом в полете "Конус", систему сдува пограничного слоя с закрылков и носков крыла или добиться повышения аэродинамического качества крыла за счет отсоса пограничного слоя. Однако все эти мероприятия или утяжеляли конструкцию, или значительно снижали экономичность силовой установки за счет отбора воздуха на систему сдува. К середине 60-х годов в ОКБ решено было вести дальнейшие работы на пути модернизации дальних комплексов перехвата на базе самолетов с изменяемой стреловидностью крыла, что и было осуществлено в проекте "148". С началом работ по этому комплексу все работы по проекту "138" были прекращены.

Помимо нескольких проектов самолета "138", выполненных по схемам, в основном повторявшим исходный Ту-128, в ОКБ прорабатывалось в 1963 году несколько вариантов схем для самолета "138", базировавшихся на нетрадиционных компоновочных схемах, в частности, предлагались схемы бесхвостки с дельта-крылом и схема "утка". Помимо двигателей типа ВД-19, для самолета "138" рассматривалась возможность использования РД-36-41, которые являлись дальнейшим развитием ВД-19.

Модификация	Ту-138
Размах крыла, м	17.53
Длина, м	31.73
Высота, м	7.78
пустого самолета
нормальная взлетная	45000
максимальная взлетная	47000
Тип двигателя	2 ТРД ВД-19
Тяга нефорсированная, кгс	2 х
Максимальная скорость , км/ч	2400
Дальность перехвата, км
на дозвуке	2100
на смешанном режиме	1800
на сверхзвуке	1000
Продолжительность барражирования, ч	4.5
Практический потолок, м	18000
Экипаж, чел	2
Вооружение:	4 УРВВ К-80