Несколько изменились обводы ограждения рубки из-за размещения новых пусковых установок. С левой стороны ограждения была смонтирована телескопическая мачта. Часть электронного оборудования заменялась на более совершенное. Так, например, были установлены система корабельных счетно-решающих приборов управления стрельбой, навигационный комплекс, позволяющий непрерывно определять текущие географические координаты и вырабатывать текущие значения углов бортовой и килевой качки лодки.

В ходе модернизации конструкция атомохода претерпела и другие усовершенствования. В частности, изменилась корабельная система предстартовой подготовки и обслуживания (КСППО). Для заполнения водой пространства между стенкой шахты и корпусом ракеты перед стартом использовались специальные цистерны с системой перекачки.

Ракеты устанавливались в шахты в заправленном состоянии, где они могли находиться до трех месяцев. По истечении этого срока их требовалось выгружать для проверки технического состояния.

С помощью комплекса наземного оборудования, который создавался специалистами КБТМ под руководством главного конструктора В.Н. Соловьева, осуществлялись операции по наземной эксплуатации ракеты (транспортировка, погрузка на подводную лодку, повседневное хранение, подготовка к выдаче на подводную лодку в условиях технической ракетной базы, заправка топливом).

В связи с установкой на лодке комплекса Д-4 потребовалось обеспечить удержание корабля на заданной глубине во время пуска ракеты из-под воды (суммарное воздействие импульсов сил, возникающих при ракетном старте, приводило к тому, что лодка подвсплывала, что затрудняло пуск последующей ракеты в залпе).

Главный наблюдающий от ВМФ по проекту 658М капитан 2 ранга К.И. Мартыненко.

В 1965 г. группой специалистов от промышленности и ВМФ (Э.К. Рутковским, СИ. Бочкиным, Б.А. Хачатуровым и др.) был предложен способ залповой стрельбы на подвсплытии. Для проверки этого способа была назначена Госкомиссия во главе с командиром дивизии подводных ракетоносцев контр-адмиралом В.В. Юшковым.

В испытаниях участвовала подводная лодка проекта 658М К-33 под командованием Л.А. Матушкина. В первых числах сентября 1965 г. лодка и члены комиссии прибыли на морской ракетный полигон в Северодвинск. Для залповой стрельбы выделили две ракеты Р-21, в качестве третьей использовался действующий макет. Ракеты погрузили в кормовую и носовую шахты, макет — в среднюю (как обычно, эта операция производилась ночью).

13 сентября подводная лодка К-33 с комиссией на борту вышла в море. Около суток заняли навигационные исследования, связанные с обеспечением исходных данных для стрельбы в дневных и ночных условиях. Утром 15 сентября лодка вошла в район стартовой позиции и начала боевое маневрирование. Она погрузилась на стартовую глубину (50 м от нижнего среза ракеты).

Залповая стрельба была произведена пусками двух ракет и имитацией импульса от пуска третьей ракеты путем подачи воздушного пузыря в цистерны главного балласта. Старт первой ракеты состоялся в 14.00, второй — с интервалом 2,5 мин, имитация пуска третьей ракеты — еще спустя 2,5 мин.

Управление лодкой велось так, чтобы обеспечить ее удержание в пределах установленного НИИ-592 диапазона стартовых глубин 34—44 м и дифферента не более ±3°. Общее время стрельбы составило 5 мин при первоначально заданных 10 мин. В результате для ПЛАРБ проекта 658М была разработана так называемая система одержания, обеспечивающая автоматическое сохранение заданной глубины.

Несмотря на высокую шумность, устаревшее оборудование, относительно низкие условия обитаемости и ряд других недостатков, лодки проекта 658М в 1970-е гг. продолжали оставаться вполне боеспособными единицами флота, успешно решающими поставленные перед ними задачи. Патрулируя в непосредственной близости от побережья США (иногда члены экипажей в перископы могли наблюдать берега Новой Англии), эти корабли обеспечивали размещенным на них ракетам крайне малое подлетное время, что затрудняло потенциальному противнику организацию мер противодействия (хотя и делало возвращение ПЛАРБ к родным берегам после выполнения боевой задачи весьма проблематичным).

Наружный вид и общее расположение ПЛ проекта 658М.