Совместные испытания комплекса Д-4 были начаты в феврале 1962 года на Северном флоте.
Первый пуск ракеты Р-21 из подводного положения был произведен 24 февраля 1962 г. с ПЛ К-102 проекта 629Б. Всего в ходе испытаний было произведено 27 пусков ракет. Испытания позволили отработать надежный и безопасный подводный старт ракет.
Комплекс Д-4 с ракетой Р-21 был принят на вооружение Постановлением СМ № 539-191 от 15.05.1063 года. В создании комплекса участвовали СКБ-385, ОКБ-2, ЦКБ-34, НИИ-137, ПО "Арсенал" и другие. В состав комплекса входили: ракеты Р-21, пусковые установки СМ-87-1, система корабельных счетно-решающих приборов управления стрельбой, аппаратура и системы подводной лодки, обеспечивающие подготовку и проведение пуска и т.п.
Навигационный комплекс "Сигма" применялся для выработки курса и определения скорости подводной лодки, автоматического и непрерывного определения текущего значения географических координат и выработки текущих значений углов бортовой и килевой качки ПЛ.
Корабельные счетно-решающие приборы "Ставрополь-1" и "Изумруд-1" обеспечивали: выработку углов наведения бортовых гироприборов относительно плоскости стрельбы и плоскости горизонта, и выдачу их на борт ракеты, – выработку преобразование текущей дистанции до цели во временную установку интегратора продольных ускорений с учетом поправок на вращение Земли и ее несферичности, и др., выработку боевого курса ПЛ.
Р-21 представляла собой одноступенчатую баллистическую ракету с отделяющейся головной частью. Баки окислителя и горючего являлись силовым корпусом ракеты, они были разделены межбаковым пространством и совместно с приборным и хвостовым отсеком представляли собой цельносварную конструкцию из листовой нержавеющей стали.
Р-21 имела следующие параметры траектории при стрельбе на максимальную дальность:
скорость в момент выключения двигателя – 3439 м/с;
высота конца активного участка – 68,9 км;
время полета на активном участке – 93 сек.;
полное время полета до цели – 384,6 сек.;
скорость встречи головной части с целью – 342 м/с.
Кроме дизельных лодок пр.629Б комплекс Д-4 получили 8 атомных лодок пр.658, из которых последние семь сразу строились по пр.658М под комплекс Д-4 с тремя пусковыми установками СМ87-1 .
Проектирование проекта 658 велось с августа 1956 года. Приемный акт на головную ПЛ этого проекта К-19 был подписан 12 ноября 1960 года. К-19 была единственная лодка, достроенная по пр.658 под Д-2, остальные лодки К-33, К-55, К-40, К-16, К-145, К-149 и НС-178 были достроены по пр.658М. Они вступили в строй с июля 1961 г. по июнь 1964 г.
ПЛ пр.658 для пуска ракет Р-13 должна была всплывать в надводное положение. Время пуска трех ракет составляло 12 минут, не считая времени всплытия и погружения.
При установке ракет Р-21 в лодках пр.658М потребовалось создать комплекс средств, удерживающих ПЛ в заданном диапазоне глубин ("система одержания"). Без принятия мер по одержанию ПЛ при старте одной ракеты подвсплывала на 16 м, что не позволяло в короткий срок привести ее на исходную глубину для старта следующей ракеты.
Применение подводного старта вызвало существенные переделки и в самой лодке. Перед стартом ракеты предусматривалось заполнение водой кольцевого зазора, образующегося между габаритами шахты и помещенной внутри ее ракетой. Для этого потребовалось размещение на лодке специальных балластных цистерн с системой перекачки. Для ликвидации разбаланса плавучести ПЛ после выхода ракеты из шахты была предусмотрена возможность приема около 15 куб.м воды в уравнительную цистерну. Кроме того, при переходе с ракет Р-13 на Р-21 пришлось устанавливать новые пусковые установки.
При предстартовой подготовке ракет Р-21 осуществлялся предварительный наддув баков окислителя с горючим до давления 2,4 атм. Затем шахта заполнялась водой и продолжался наддув баков до давления 8,5 атм. В процессе заполнения шахты водой заданный уровень воды в воздушном колоколе поддерживался автоматически с помощью датчиков предельных уровней и электроавтоматики системы предстартового оборудования. После заполнения шахты водой производилось выравнивание давления в ней с забортным и открывалась крышка шахты.
Пуск ракет Р-21 производился с глубины 40-60 метров, при скорости лодки – 2-4 узла и волнении моря до 5 баллов.
С момента принятия на вооружение и до снятия с вооружения комплекса Д-4 (1963-1982) в процессе эксплуатации всего было сделано 228 пусков ракет Р- 21. Из них 193 пуска были сочтены успешными, 19 пусков были неудачны из-за отказов системы ракеты, 11 пусков были неудачны из-за ошибок расчетов и отказов обеспечивающих систем, причины 5 неудачных пусков установить не удалось.
Опытная ПЛ БС-153 пр. 605
Комплекс Д-4, принятый на вооружения спустя почти три года после принятия на вооружение американского комплекса "Поларис А-1" с дальностью стрельбы 2200 км й спустя год после принятия на вооружение "Полариса А-2" (2800км), существенно уступал американским ракетам практически по всем показателям. Чтобы догнать США, потребовалось создание принципиально новой ракетной системы.
Постановлением СМ № 386-179 от 24.04.1962 г. принимается решение о разработке малогабаритной ракеты Р-27 комплекса Д-5 для вооружения атомных ПЛ пр.667А.
Комплекс Д-5 проектировался универсальным, включающим в себя баллистическую ракету Р-27 для стрельбы По наземным целям и баллистическую ракету Р- 27К с пассивной радиолокационной головкой самонаведения для избирательного поражения морских целей типа авианосных ордеров, конвоев и других корабельных соединений.
Принципиально новым для баллистических ракет явилась заводская заправка ракет долгохранимыми компонентами топлива (азотистый тетраксид – АТ + несимметричный деметилгидразин – НДМГ) с последующей ампулизацией ракет, что позволило увеличить сроки хранения ракет в шахтах ПЛ и улучшить их эксплуатационных характеристики.
Применение предварительно заправленных и ампулизированных ракет позволило отказаться от заправочного оборудования и наземных емкостей для хранения компонентов топлива на технических позициях флота, что упростило и удешевило эксплуатацию всего ракетного комплекса, а также значительно сократило время подготовки ракет на технических позициях перед погрузкой на подводные лодки.
Р-27 представляла собой одноступенчатую ракету с моноблочной отделяемой головной частью.
Головная часть ракеты имела цельносварной герметичный корпус из аллюминиево-магниевого сплава, на наружную поверхность которого нанесено тепловлагостойкое покрытие на основе асботекстолита.
Корпус ракеты был облегчен за счет применения сплава АМгб методом глубокого химического фрезерования в виде "вафельного” полотна.
На Р-27 впервые была установлена инерциальная система управления, чувствительные элементы которой были помещены на гиростабилизированную платформу.
При этом приборный отсек, как самостоятельный элемент, на ракете отсутствовал. Аппаратура системы управпения была скомпонована в герметизированном объеме, образованном полусферическим верхним днищем бака окислителя.
Бак горючего был отделен от бака окислителя двухслойным разделяющим днищем, что позвонило исключить межбаковый отсек и тем самым сократить габариты ракеты.
Двигатель ракеты состоял из двух блоков -основного с тягой 23 т и рулевого с тягой 3 т. Основной блок был размещен ("утоплен") в баке горючего, рулевой блок был скомпонован на нижнем днище бака горючего.
Переходник, размещенный в нижней части ракеты, предназначапся для стыковки ракеты с пусковой установкой и создания воздушного "колокола", снижающего пик давления при запуске двигателя в затопленной водой шахте.