Первоначально «Зениты» были оснащены комплексом специальной аппаратуры, состоявшим из одного фотоаппарата СА-20 с фокусным расстоянием 1 м, одного фотоаппарата СА-10 с фокусным расстоянием 0,2 м, фототелевизионной аппаратуры «Байкал» и аппаратуры «Куст-12М» для радиоразведки. Аппаратура «Байкал» и «Кустам» позволяли передавать информацию по радиоканалу в зоне видимости наземных пунктов приема. Однако после четырёх успешных испытательных полётов (КА «Космос-4», «Космос-7», «Космос-9» и «Космос-15») стало ясно, что фототелевизионная аппаратура не обеспечивает нужных характеристик, и на последующих изделиях устанавливался комплект специальной аппаратуры «Фтор-2Р» в составе трёх аппаратов СА-20 и одного СА-10, а также специальная аппаратура «Куст-12М». Три фотоаппарата СА-20 обеспечивали ширину полосы съёмки 180 км при высоте полёта 200 км. Запас пленки в них обеспечивал получение 1500 кадров размером 60 х 60 км (суммарная снимаемая площадь составляла 5,4 млн кв. км). Для расширения возможностей съёмки СУД аппарата обеспечивала быстрые развороты на заданные углы для выполнения съёмки районов, лежащих в стороне от трассы полёта.
По завершении орбитального полёта фотоаппараты с пленкой доставлялись в СА на Землю.
Помимо основной аппаратуры, на «Зенитах» иногда устанавливалась дополнительная полезная нагрузка (отдельные приборы) для проведения различных экспериментов (по метеорологии, регистрации космических частиц и т. п.) и автономные спутники-контейнеры серии «Наука» которые использовались для проведения различных экспериментов в научных и военно-прикладных целях.
Первый старт ракеты-носителя 8А92 (модификация 8К72) со спутником-разведчиком «Зенит-2» был произведен 11 декабря 1961 г. с космодрома Байконур. Пуск оказался аварийным: из-за отказа 3-й ступени ракеты-носителя КА не вышел на орбиту.
Второй старт состоялся 26 апреля 1962 г. КА был выведен на орбиту ракетой 8А92 с параметрами: апогей 330 км, перигей 298 км, период 90,6 минут, угол наклона орбиты 65°.
Спутнику «Зенит-2» наше руководство присвоило псевдоним «Кос-мос-4». Дело в том, что первые попытки засекретить вывод советских спутников в космос провалились. Американские средства слежения практически немедленно фиксировали КА и сообщали в СМИ параметры его орбиты, и «борец за мирный космос» дорогой Никита Сергеевич «садился в калошу». Тогда было принято решение (кто подал мысль совершенно секретно до сих пор) спутники как научные, так и военные именовать одинаково «Космос».
Но вернемся к первому «Зениту-2». В ходе полёта из-за стравливания воздуха из баллонов через клапан дренажа произошел отказ основной системы ориентации, и СА был возвращен по прошествии всего 3 суток. Хотя значительная часть полёта «Космоса-4» проходила в неориентированном режиме, фотографирование все же проводилось, и удалось получить некоторый материал.
Этот полёт положил начало лётно-конструкторским испытаниям (ЛКИ) спутника-разведчика «Зенит». За полтора месяца после завершения первого полёта в системах спутника были проведены необходимые доработки, и 28 июля 1962 г. состоялся следующий пуск.
Ракета 8А92 вывела на орбиту с параметрами: апогей 369 км, перигей 210 км, угол наклона орбиты 65° космический аппарат «Кос-мос-7». 1 августа спускаемый аппарат «Космоса-7» благополучно совершил посадку на территории СССР.
Следующий «Зенит-2» под псевдонимом «Космос-9» был запущен 27 сентября 1962 г., а его СА совершил посадку на территории СССР 1 октября 1962 г.
Всего в рамках ЛКИ было проведено 13 запусков КА «Зенит-2», три из них закончились аварией ракеты-носителя. Серийное производство КА «Зенит-2» было организовано в городе Куйбышеве (ныне Самара). Сюда, в филиал 3 ОКБ-1, возглавляемый Д.И. Козловым, были переданы все материалы по КА «Зенит-2», а также по PH, разработанным в ОКБ-1 на базе МБР Р-7.
Вес КА «Зенит-2» на этапе ЛКИ составляла 46104760 кг. Серийные КА имели вес 47004740 кг. Время активного существования 8 суток. В марте 1964 г. комплекс «Зенит-2» в составе КА 11Ф61 и PH «Восток-2» (8А92) был принят на вооружение. С 1967 г. для запусков КА «Зенит-2» используется ракета-носитель «Восход» (11А57). Всего в рамках ЛКИ и штатной эксплуатации пуск КА «Зенит-2» проводился 71 раз. 7 пусков из этого числа закончились аварией PH.
Не все КА из числа выведенных на орбиту выполняли программу полёта. Так в ноябре 1964 г. очередной «Зенит» из-за неисправности тормозного двигателя не смог доставить на Землю отснятый материал. КА был взорван на орбите системой самоуничтожения. Максимальное число пусков 13 было в 1967 г. Последний запуск состоялся 12 мая 1970 г.
В 1964 г. в Куйбышевском филиале 3 начались проектные работы по модернизации КА «Зенит-2». Новый аппарат получил обозначение «Зенит-2М» (11Ф690), а после принятия на вооружение в 1970 г. имя «Гектор». Фотоаппаратура «Фтор-2Р» была заменена на более совершенную систему «Фтор-2РЗ». Первый пуск состоялся 21 марта 1968 г. с космодрома Байконур PH «Восход» (11А57), которая вывела КА на орбиту с параметрами: апогей 305 км, перигей 207 км, наклонение 65°, период обращения 89 минут.