После окончания училища Сергей Александрович Попыталов был назначен на должность заместителя командира авиационной эскадрильи по эксплуатации. В 1961 г. в результате реорганизации Вооруженных Сил С. А. Попыталов назначается командиром технического дивизиона ПВО. Накопленный инженерный опыт, настойчивость в достижении цели позволили Сергею Александровичу перевестись в 1963 г. в ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского на должность преподавателя кафедры аэродинамики, где проявились его качества педагога и научного работника. В 1966 г. он заслуженно становится старшим преподавателем кафедры.

С 1967 г. начинается становление С. А. Попыталова как научного работника. Его научные достижения в области аэродинамики сверхзвуковых скоростей позволили защитить кандидатскую, а затем и докторскую диссертацию, получить ученое звание профессора.

В 1986 г. Сергей Александрович был назначен начальником кафедры безопасности полетов и систем управления. Его большой жизненный и научный опыт, широкий кругозор позволили овладеть новым для него направлением деятельности. Под его руководством кафедра возглавила научные направления в ВВС по безопасности полетов.

После увольнения из Вооруженных Сил С. А. Попыталов работал профессором кафедры, передавая свой опыт молодым преподавателям и научным сотрудникам академии.

Награжден медалями СССР и РФ.