Только 10 сентября 1960 г. впервые в СССР* 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 наддувом 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 3 пуска 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.

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.

* — В США первый пуск баллистической ракеты «Поларис» с погруженной атомной ПЛ «Джордж Вашингтон» состоялся 20 июля 1960 г., т. е. на 40 дней раньше. Пуск произведен с глубины 30 м, ракета пролетела 1800 км.