В состав комплекса впервые была включена корабельная цифровая вычислительная система — автомат пеленга дальности (АПД) «Ставрополь», обеспечивавший повышение точности расчета баллистических пеленга и дальности стрельбы (НИИ-49, главный конструктор — Г.В. Беляев, позже его сменил О.А. Беляев).

Для нового комплекса впервые разработали оптическую аппаратуру (систему) прицеливания (КБ киевского завода «Арсенал», главный конструктор — С.П. Парняков) для привязки с необходимой точностью базовых плоскостей бортовых гироприборов ракеты к центральной кренометрической (базовой) площадке подводной лодки (ее навигационного комплекса).

В комплексе Д-4 (как и в комплексе Д-2 с ракетой Р-13) предстартовая ориентация бортовых гироприборов ракеты предусматривалась по информации от навигационного комплекса подводной лодки с помощью корабельной счетно-решающей системы. Погрешности приведения в горизонт бортовых приборов ракеты при помощи такой системы были достаточно велики и принципиально не могли быть существенно уменьшены. Поэтому в комплексе Д-4 в инициативном порядке впервые использовали систему маятниковой коррекции бортовых гироприборов ракеты при предстартовой подготовке и с помощью маятниковых датчиков автомата стабилизации контуров боковой и нормальной стабилизации ракеты (НИИ-592, главный конструктор — Н.А. Семихатов, руководитель военной приемки — капитан 2 ранга В.В. Синицын).

Для обслуживания ракет в период хранения и предстартовой подготовки доступ в шахту не требовался. Все операции по обслуживанию ракет Р-21 производились дистанционно с соответствующих пультов управления.

При предстартовой подготовке ракеты производилось наведение гироприборов, вводилась уставка функционала обеспечения заданной дальности стрельбы, выполнялся наддув кабелей и шины, в два этапа (предварительный и предстартовый) осуществлялся наддув баков. По достижении в баках давления определенной величины автоматически подавалась команда на заполнение шахты водой из специальных цистерн подводной лодки. После заполнения шахты водой осуществлялось выравнивание давления в ней с забортным, отдраивалась кремальера и открывалась крышка стрельбовой шахты. Пусковой стол в момент старта находился в заштыренном состоянии. Непосредственно перед стартом производился переход на бортовое питание (от ампульной батареи).

Скорость в момент выключения двигателя, м/с… 3439

Высота конца активного участка, км….. 68,9

Время полета на активном участке, с 93

Полное время полета до цели, с…. 384,6

Скорость встречи головной части с целью, м/с….. 342

При подводном старте отпала необходимость удержания ракеты на верхнем срезе шахты при качке с амплитудой до 12°, пусковая установка СМ-87 обеспечивала только закрепление и амортизацию ракеты при хранении ее в шахте и безударный выход с помощью направляющих на стенках шахты и бугелей на ракете при старте. Ограничение функций пусковой установки привело к упрощению ее конструкции и как следствие, к значительному уменьшению массогабаритных характеристик.

Примечательно, что при «мокром» («уральском») старте из предварительно затопленной водой шахты кольцевой зазор перед открытием крышки заполнялся водой. Однако из условий сохранения плавучести подводной лодки для этого нельзя было использовать забортную воду, поэтому на подводной лодке устанавливались специальные цистерны кольцевого зазора, в которых хранилась вода, запасенная для этих целей у родных берегов.

После старта ракеты в освободившуюся шахту устремлялся водопад забортной воды, при этом для «мокрого» старта объем дополнительно влившейся воды был равен объему запущенной ракеты, а поскольку удельный вес жидкостной ракеты близок к единице, то балансировка корабля сохранялась.

Безударный выход ракеты из шахты движущейся подводной лодки при действии возмущений, обусловленных волнением моря и качкой корабля, обеспечивался применением бугельной схемы направления движения, конструктивно выполненной в виде жестких направляющих на шахте, и бугелей, установленных на корпусе ракеты.

Управление движением ракеты на подводном участке и выход на программную траекторию происходил за счет работы маршевого ЖРД.

Полет в плоскости стрельбы обеспечивала программа изменения угла тангажа в функции времени. Угол траектории (угол наклона вектора скорости ракеты к местному горизонту) в конце активного (продолжительность 94 с) участка траектории при стрельбе на максимальную дальность составлял 39,12°. Время полета до цели при стрельбе на максимальную дальность составляло 11,5 мин, максимальная высота траектории достигала 372 км. При стрельбе на минимальную дальность (400 км) время полета до цели равнялось 7,2 мин, максимальная высота траектории — 132 км.

На начальном этапе работы — этапе создания жидкостных ракет с подводным стартом первого поколения — свой вклад внесли ученые Военно-морской академии кораблестроения и вооружения имени А.Н.Крылова Е.Н.Мнев и В.Т.Чемодуров. Их основные усилия были направлены на разработку вопросов гидроупругости баллистических ракет подводных лодок, гидродинамики и моделирования штатных процессов. Полученные данные явились составной частью фундамента теории подводного старта жидкостных баллистических ракет. Внедрение результатов исследования в создание морских баллистических ракет позволило решить многие проблемы прочности корпусов ракет при динамическом нагружении, прогнозирования их гидродинамических характеристик и параметров пуска, успешно завершить работы по созданию новых межконтинентальных баллистических ракет (МБР).

Необходимость прогнозирования гидродинамических характеристик ракет при старте привела к разработке новых вопросов нестационарной гидродинамики, в частности, вопросов о влиянии стенок шахты на гидродинамическую нагрузку, о нормальных нагрузках на часть ракеты, вышедшую из шах^ы при истечении воды из кольцевого зазора. Такая задача впервые была строго решена в академии в 1962 г. Решение было опубликовано в журнале «Оборонная техника» и вошло в расчетную документацию СКБ-385. Практическое значение имели разработки Военно-морской академии в области физического моделирования подводного старта ракет. «Предложения по физическому моделированию подводного старта ракет», опубликованные в 1962 г., появились в связи с исследованиями старта, проводившимися в Военно-механическом институте по заказу СКБ-385. Эта методика физического моделирования старта прошла испытание временем, вошла во многие учебники, монографии, учебные пособия.

Боевые возможности ракеты Р-21 — малое подлетное время ракет, значительная мощность заряда, досягаемость важных объектов, дислоцированных на прибрежной территории, скрытность подводных лодок — определили появление новой составляющей в стратегическом балансе сил в 1960-е гг. По своему техническому уровню Р-21 была значительным шагом вперед, но, к сожалению, только по сравнению со своими советскими предшественницами. Главным достоинством ракеты было то, что ее можно было запускать с глубины до 60 м, при скорости хода лодки 2–4 узла и волнении моря до 5 баллов.

Прорабатывалось и повышение ТТХ Р-21 Во время посещения Северного флота летом 1962 г. Н.С. Хрущеву доложили о возможности увеличения дальности Р-21 до 2500 км. Однако загруженность СКБ-385 новыми работами не позволила своевременно реализовать эти предложения. Только в конце 1970-х гг. Р-21 модернизировали с установкой новой головной части и под наименованием Р-21 М приняли на вооружение в составе комплекса Д-4М.

Положительные результаты испытаний макетов позволили в 1962 г. приступить к летно-конструкторским испытаниям ракеты Р-21. В результате, не ожидая окончания летно-конструкторских испытаний, перешли к следующему этапу — совместным испытаниям ракеты в составе комплекса Д-4 и подводной лодки. Торопили и политические обстоятельства: шел Карибский кризис 1962 г., и в споре с США ракетное оружие являлось одним из весомых аргументов.