Разработка комплекса была разделена на две очереди. Первая, экспериментальная, предусматривала доработку уже существующих или строящихся подводных лодок для пуска модифицированных ракет класса «земля-земля» Р-11 из надводного положения (комплекс Д-1). Вторую очередь (пуск из подводного положения) Н.Н. Исанин предложил С.П. Королеву вести параллельно с первой, но для этого надо закладывать новые проекты и подводной лодки, и ракеты. Потребуется действительно не менее трех-четырех лет, пока удастся осуществить первый старт из подводного положения. Командование ВМФ согласилось с такой концепцией, и всем службам для варианта первой очереди была дана команда «полный вперед».
В соответствии с концепцией «первой очереди» в прочный корпус готовой лодки встраивались две прочные вертикальные шахты, снабженные специальными подъемными пусковыми устройствами. Шахты закрывались крышками, которые открывались перед пуском. Ракеты в заправленном состоянии находятся в сухих шахтах с гарантией безотказного действия после длительного подводного похода, который может продолжаться не один месяц. Эта проблема длительного хранения была непростой, поскольку имелась опасность коррозионной агрессивности компонентов для двигательной установки и потери герметичности коммуникаций.
Еще одна проблема имела чисто морскую специфику. В случае всплытия для пуска ракет лодка неизбежно будет подвержена качке. Пуск ракеты с качающегося основания вместо надежно стоящего на земле стартового стола - это не сразу укладывалось в сухопутные представления разработчиков ракет о технике прицеливания и последующего поведения ракеты. Беспокойство вызывало и поведение жидкого наполнения тонкостенных баков ракеты при качке. Наконец, беспокоила точность попадания в заданный квадрат, поскольку стартовики из-за несовершенства навигационной техники не могли заложить истинные координаты места старта в заранее подготавливаемые баллистиками расчеты и таблицы. На наземном полигоне обычно трудилась целая команда геодезистов, которые точно привязывали к географическим координатам место старта, просчитывали направление стрельбы и с точностью до метров докладывали после пуска отклонения точки падения от расчетной. А как это делать в штормовом море?
Ракета Р-11ФМ (виден пояс для «корсетного» устройства пусковой установки).
Все это для моряков оказалось не таким уж трудным. Подключенным к работам институтам судостроительной промышленности объясняли, как приспособить к общим задачам комплекса технику морской навигации. Главным конструктором НИИ-499 (ныне НИИ автоматики) В.П. Арефьевым были предложены принципы предстартовой ориентации и идея сопряжения системы управления ракеты с навигационным комплексом подводной лодки. Оси бортовых гироприборов приводились по углам перед стартом к осям главного навигационного комплекса корабля. Ракета стартует в надводном положении, имея мгновенный угол наклона и угловую скорость, определяемые режимом качки. После старта гироприборы, запомнившие предстартовую выставку, выправляют ракету сначала в вертикальное положение, а затем «укладывают» ее на программу в плоскости стрельбы. Реализация этих принципов потребовала разработки специального корабельного преобразователя координат, который связывал комплекс приборов навигации и управления движением подводной лодки с бортовой системой управления. Эту работу и выполняли два специальных института судостроительной промышленности.
К моменту принятия решения о создании комплекса Д-1 в СССР сложились определенные предпосылки в пользу выбора баллистической ракеты именно на жидком топливе: существенный прогресс в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) с применением высококипящих компонентов топлива, отсутствие на тот момент приемлемых результатов по смесевым твердым топливам, а также сопоставимого прогресса по массе и мощности боеголовок, массе и точности систем управления, бортовых гироприборов, по навигационному обеспечению и т.д. В результате для начального этапа выбрали жидкостное направление с умеренными тактико-техническими характеристиками ракет.
Базой для комплекса Д-1 послужила ракета Р-11 (обозначение НАТО - SS-1b, Scud) - в ОКБ-1 (ныне РКК «Энергия» им. С.П. Королева»), занятом работами по межконтинентальным ракетам, решили пойти по пути адаптации уже созданных и испытанных ракет к новым условиям. Но, несмотря на то что ракета Р-11 уже летала, ее доработка плюс новое морское (вместо наземного) оборудование, по расчетам ракетчиков, требовали трех-четырех лет. С.П. Королев о таких циклах и слушать не хотел. Весьма кстати 26 июня 1954 г. вышло постановление о разработке оперативно-тактической ракеты с ядерным зарядом Р-11М (М - мобильная), размещаемой на самоходных пусковых установках на гусеничном ходу. ОКБ-1 приступило к модернизации этой ракеты для морских условий (ведущий конструктор И.В. Попков). Такой подход позволял уложиться в заданные сроки, но не мог обеспечить создание нового эффективного оружия, что и подтвердилось впоследствии.
Ракета Р-11ФМ (8А61ФМ) изначально была представлена в двух вариантах: с осколочно-фугасной боевой частью и с ядерной головной частью. По общей конструктивной схеме ракета выполнена одноступенчатой, с несущими топливными баками из стального сплава. Для повышения статической устойчивости в полете она имела четыре стабилизатора, расположенных в хвостовой части попарно в плоскостях стабилизации. Управление движением ракеты на траектории осуществлялось с помощью графитовых рулей. При ее проектировании и строительстве были использованы новейшие достижения в области ракетостроения и металлургии. Применение легких и прочных материалов позволило снизить массу ракеты до 5,5 т. Конструктивно от своего прототипа ракета Р-11ФМ отличалась наличием приспособлений, воспринимавших нагрузку корсетного устройства пусковой установки, и средств обеспечения герметизации приборного и двигательного отсеков, а также измененной системой управления, которая обеспечивала прием данных на пуск из навигационной системы подводной лодки.
На ракете устанавливался маршевый жидкостный ракетный двигатель, разработанный в ОКБ-2 НИИ-88 главного конструктора А.М. Исаева. В качестве компонентов топлива применялись керосин Т-1 и азотная кислота АК-20, воспламенение которых обеспечивалось специальным пусковым горючим. Баки ракеты заправлялись на базе перед выходом на боевое патрулирование. На серийных ракетах компоненты топлива в камеру сгорания ЖРД подавались не турбонасосным агрегатом, а вытеснительной системой, что облегчало общий вес ракеты.
