К тому времени, когда П-5 и П-10 вышли на летные испытания, по уровню своих летно-технических характеристик они уже несколько уступали лучшим пилотируемым самолетам тех лет. Поэтому еще раньше возникла идея создания самолета-снаряда, способного преодолеть систему ПВО, а также обладающего достаточной дальностью для проведения пуска из районов океана, не подверженных постоянному контролю противолодочной авиации и кораблей вероятного противника. Для решения этой задачи решили привлечь одно из самых мощных и квалифицированных организаций Минавиапрома — ОКБ-240 С.В. Ильюшина.
Уже в марте 1956 г. Минсудпром и Минавиапром направили в ЦК КПСС предложения о создании самолета-снаряда с дальностью полета 1100—1300 км и скоростью 1800—2000 км/ч. При дальнейшем согласовании требования к новому оружию существенно изменились. Правительственным постановлением от 19 апреля 1956 г. задавалась разработка самолета-снаряда П-20 со скоростью 2000—2500 км/ч, предназначенного для доставки на дальность 1100—1300 км с точностью ±3 км термоядерного заряда, аналогичного примененному на королевской Р-7. Самолет-снаряд должен был комплектоваться астроинерциальной системой управления «Сокол-А» разработки СКБ-303 главного конструктора С.Ф. Фармаковского. Изделие следовало в 1959 г. предъявить на испытания с подводной лодки пр. П-627А, эскизный проект которой СКБ-143 поручалось представить к концу 1956 г. В дальнейшем, постановлением от 20 августа 1957 г. максимальная скорость была увеличена до 2750—3000 км/ч при высоте полета 22—24 км, дальность — до 2500—3000 км.
Для достижения столь высоких характеристик использовались основные технические решения, в основном аналогичные реализованным в межконтинентальных крылатых ракетах «Буря» и «Буран».
Схема крылатой ракеты П-20.
Самолет-снаряд скомпоновали по самолетной схеме с треугольным крылом и крестовидным оперением. Длина фюзеляжа составляла 21 м при диаметре 2 м, размах крыла — 7,25 м. Стабилизатор выполнили цельноповоротным, крыло — складывающимся. Воздухозаборник лобовой, с центральным телом, в котором размещались боевая часть и элементы системы управления. Сами конструкторы были сторонниками подфюзеляжного воздухозаборника по типу П-5, но ЦАГИ категорически отказывался подтвердить его работоспособность на скоростях, в 2,5—3 раза превышающих звуковую. Правда другую рекомендацию ЦАГИ, настаивавшего на применении не треугольного, а более проверенного стреловидного крыла, Ильюшин проигнорировал. В качестве силовой установки использовали турбореактивный двигатель.
Скорость П-20 была несколько меньше, чем у лавочкинской и мясищевской машин, что позволило в качестве маршевого вместо экзотического прямоточного двигателя применить обычный турбореактивный ВК-15Б с тягой 15,6 т. Стартовые двигатели — два твердотопливных ПРД-39 с тягой по 200—240 т, развиваемой в течение 1,65 с. Относительно умеренные скорости полета допускали использование традиционных материалов в конструкции планера самолета-снаряда. Однако даже этот диапазон скоростей примерно вдвое превышал уровень, достигнутый пилотируемыми самолетами к середине 1950-х гг. Возникли затруднения с продувками моделей в аэродинамических трубах на больших сверхзвуковых скоростях. Поэтому для подтверждения расчетных материалов провели большой объем экспериментальных работ, в том числе и ранее не выполнявшихся.
В частности, из артиллерийских орудий с использованием отделяемых металлических поддонов выстреливались модели самолета-снаряда, заключенные в деревянные оболочки. После выхода из ствола оболочки разделялись на половины и отбрасывались, поддон отделялся, а модель продолжала полет наподобие подкалиберного снаряда. Мишенями служили несколько последовательно расставленных деревянных рам с натянутой на них бумагой, снабженной проводными датчиками. За щитами находилась песочная насыпь, улавливающая модели. В ходе опытов удавалось определить устойчивость полета, углы атаки, а по падению скорости — величину продольных и поперечных аэродинамических сил.
Далее перешли к сбросу с самолетов более крупных изделий весом до 200 кг. После отделения от носителя на высоте 11 км включался установленный на модели твердотопливный двигатель, за 3 с разгонявший ее до скорости, втрое превышавшей звуковую.
Вершиной наземной отработки П-20 стали бросовые испытания полноразмерного макета П-20 с натурными твердотопливными ускорителями на подмосковном полигоне Фаустово, выполненные в объеме двух пусков начиная с декабря 1959 г.
Параллельно с отработкой самолета-снаряда активно велось проектирование предназначенных для его применения кораблей-носителей. Исключалось использование в качестве базы для создания опытового корабля одной из существующих или проектируемых дизель-электрических подводных лодок: они были слишком миниатюрны для П-20. Только строившиеся, а в особенности проектировавшиеся атомные подводные лодки могли вывести на океанские просторы столь громоздкое оружие. Боевая подводная лодка создавалась по специальному новому проекту 653, а для отработки самолета-снаряда предусматривался корабль пр. П-627А, создаваемый на базе первой серийной атомной подводной лодки пр. 627А.
Как и для П-10, для П-20 предусматривался надводный старт со специальной пусковой установки, на которую самолет-снаряд выдвигался на лафете из контейнера в процессе предстартовой подготовки. Далее для проведения старта самолета-снаряда пусковая установка понималась на угол 16°. Общее время пребывания лодки в надводном положении не должно было превысить 6,5 мин, все операции осуществлялись дистанционно, в автоматизированном режиме.
Первоначально задуманная как минимальная модернизация хорошо освоенной лодки пр. 627А, создававшаяся под руководством В.Н. Перегудова, а после его ухода на пенсию в 1959 г. Г.Я. Светаева, ПЛ пр. П-627А постепенно превратилась в существенно отличавшийся от нее корабль. Следует отметить, что по водоизмещению контейнер длиной 25 и диаметром 4,6 м превышал подводную лодку типа М военного времени. Естественно, он был многократно тяжелее размещенного в нем самолета-снаряда весом 30 т. Такую дополнительную нагрузку не мог скомпенсировать отказ от большей части торпедного вооружения: число аппаратов нормального калибра 533 мм сократили вдвое, исключили запасные торпеды, установив два аппарата для стрельбы 400-мм торпедами и имитаторами. Большую часть корабельной аппаратуры ракетного комплекса разместили в центральном посту, для чего перенесли в первые два отсека часть штатного оборудования пр. 627А. Кроме того, контейнер находился высоко над ватерлинией, и для обеспечения остойчивости ширину лодки увеличили с 7,9 до 9,2 м и загрузили 200 т твердого балласта. Водоизмещение возросло на 480 т, достигнув 4014 т, при этом запас плавучести возрос с 30,5 до 40%.