За несколько лет до этого проработкой вопросов, связанных с подводным стартом баллистических ракет, занималось ОКБ-Ю НИИ-88 под руководством главного конструктора Е.В. Чарнко. Чарнко создал экспериментальную ракету на базе Р-11ФМ для определения возможности запуска двигателя в заполненной водой шахте. Корпус ракеты целиком взяли от Р-11. Баки горючего и окислителя заполнялись водой для сохранения центра тяжести ракеты. Вместо жидкостного двигателя установили три твердотопливных двигателя с отсекающим устройством, то есть при вылете ракеты из под воды лопасти устройства разворачивались и перекрывали сопла двигателей, отсекая газовую струю. Происходило торможение ракеты, и она, не набрав высоты, падала в воду, и водолазы легко поднимали наверх регистрирующую аппаратуру. На первом этапе проводились бросковые испытания ракеты с неподвижного погруженного стенда в Балаклаве. Первый старт со стенда состоялся 25 декабря 1956 г. Ракета, запущенная из-под воды, поднялась на 150 метров над поверхностью. После нескольких стартов со стенда начались запуски с дизельной ПЛ Черноморского флота С-229 пр. 613. Лодка С- 229 была переделана по проекту В-613, к ее бортам симметрично с двух сторон приварили по пусковой шахте. Лодка приняла нелепейший вид какого-то трехбашенного замка. С ПЛ С-229 запускались опытные ракеты С4.1 с твердотопливными двигателями и С4.5 с жидкостными двигателями. К концу лета 1959 года уже знакомая нам ПЛ Б-67 прошла модернизацию под ракету С.4.7 с жидкостным двигателем.
Первый подводный старт с Б- 67 в августе 1959 года оказался неудачным. Лодка погрузилась на стартовую глубину. Находившиеся на опытном судне «Аэронавт» представители флота и промышленности ждали пуск. Время «Ч» прошло, по УКВ с «Аэронавта» запросили лодку, почему не выполнен старт и получили в ответ: «Старт состоялся». После всплытия Б-67 открыли шахту, где стояла нестартовавшая ракета, через несколько секунд произошел самопроизвольный запуск двигателя ракеты. Ракета сорвала крепления по-походному и ушла в небо. Причину аварийного старта установить не удалось. И следующая попытка подводного пуска с Б-67 состоялась почти через год 14 августа 1960 г. В ходе заполнения шахты водой последовал удар и лодку встряхнуло. Оказалось – ракету сбросили со стартового стола, головная часть ракеты была смята. Причиной аварии оказался заводской дефект в системе заполнения шахты водой.
Только 10 сентября 1960 г. впервые в СССР 3* состоялся пуск экспериментальной баллистической ракеты С-4.7 из подводного положения ПЛ Б-67 с глубины 30 метров при скорости лодки 3,2 узла. При этом ракета пролетела 125 км.
Параллельно с испытаниями С-4.7 шли испытания другой экспериментальной ракеты К-1.1, которая представляла собой прототип ракеты Р-21 с уменьшенным временем работы двигателя за счет уменьшения объемов баков окислителя и горючего.
Бросковые пуски ракет К-1.1 проводились на Черном море в районе Балаклавы с неподвижного плавающего стенда с глубины 40-50 метров. Кроме того, дизельная подводная лодка С-229 пр. 613 была оборудована одной шахтой по проекту 613Д-4.
При старте Р-21 маршевый двигатель включался в затопленной водой шахте (так называемый «мокрый» старт). Газы из сопла двигателя попадали в «колокол» – воздушный объем, образуемый герметизированными объемами хвостового отсека ракеты и пусковым столом. Уменьшение пика давления в шахте до допускаемых прочностью стенок шахты значений и снижение влияния внешних нагрузок на ракету при старте и движении ракеты под водой обеспечивались специальной программой ступенчатого выхода двигателя на режим, предстартовым надцувом баков ракеты, созданием прочных и герметичных головного и приборного отсеков.
В период с мая 1960 г. по октябрь 1961 года провели 6 пусков ракеты К-1.1 с плавстенда и пуска 2 с ПЛ С-229. Глубина лодки в ходе пусков была 40-50 метров а скорость лодки – 2,6-3,5 узла.
Успешные бросковые испытания ракет К-1.1 и успешная отработка других систем комплекса Д- 4 позволили перейти к летно-конструкторским испытаниям ракет В начале 1962 года в Комиссии по военно-промышленным вопросам при СМ СССР был рассмотрен вопрос «О ходе отработки комплекса Д-4 с ракетой Д-21». Было решено объединить этапы летно- конструкторских испытаний комплекса Д-4 с ПЛ пр. 629Б с этапом пристрелочных и зачетных испытаний в один этап совместных испытаний промышленности и ВМФ с выделением 5-7 ракет для конструкторской отработки.
Совместные испытания комплекса Д-4 начались в феврале 1962 года на Северном флоте.
Первый пуск ракеты Р-21 из подводного положения был проведен 24 февраля 1962 г. с ПЛ К- 102 проекта 629Б. Всего в ходе испытаний провели 27 пусков ракет. Испытания позволили отработать надежный и безопасный подводный старт ракет.