Идеальным местом для испытаний ракет подводного старта была Балаклава. Там имелась полигонная инфраструктура, большие глубины рядом с берегом, наличие бухты, близко расположен порт, можно вести работы круглый год.
Для проведения экспериментов по подводному старту в 1956 г. в части были построены в балке Мраморной лебедочная установка и бункер для управления пуском. В Мраморной бухте на расстоянии около 450 м от берега на глубине 45 м установили железобетонное основание (якорь) с блоком. Через блок пропустили тяговый трос диаметром 30 мм, протянутый по уложенным на дне роликам. Один конец тягового троса крепился к электрической лебедке, другой предусматривалось закрепить на погружающемся подводном стенде. Создавая на береговой лебедке усилие в 11 т, можно было устанавливать стенд на заданной глубине. Ходовой конец троса, соединяющийся со стендом, в нерабочем состоянии сбрасывали на дно. По дну был проложен многожильный электрокабель для питания электроаппаратуры стенда и ракеты. Концы кабеля и тягового троса, лежащие на дне, соединяли легким канатом с буем, который обозначал их местонахождение на грунте.
Для отработки пусков ракет из-под воды под руководством Чарнко были созданы ракеты С4.1 и С4.5. Обе экспериментальные ракеты по своим весогабаритным характеристикам соответствовали первой серийной баллистической ракете Р-11ФМ, но имели приспособления для подводного старта. Ракета С4.1 была снабжена шестью твердотопливными (пороховыми) двигателями ОД-200, а ракета С4.5 имела жидкостно-реактивный двигатель (ЖРД). Таким образом, сразу хотели решить вопрос о преимуществе твердотопливных и жидкостных ракет при подводном старте.
Погрузка ракеты на погружающийся подводный стенд производилась плавучим краном на технической позиции, находящейся в 7 км от полигона. Затем стенд буксировали на полигон для проведения испытаний.
Первый пуск ракеты С4.1 с неподвижного погружающегося стенда, произведенный 23 декабря 1956 г. с уменьшенным количеством топлива, был удачным: подтвердились расчетные параметры выхода из воды и полета ракеты. Второй пуск был произведен 20 марта 1957 г. Его задачи также были выполнены. Третий пуск намечалось производить при волнении моря 5–6 баллов. Такой прогноз метеослужба предсказывала на 2 апреля, и ракету погрузили на стенд, но прогноз не подтвердился. Комиссия перенесла пуск на 5 апреля. Ракета в этот период оставалась на стенде, и в нее попала вода. Поэтому пуск отложили. Только 7 апреля провели третий пуск, а 17 апреля 1957 г. — четвертый.
Ракету С4.1 предполагали запустить более 20 раз. Надеялись, что она после пуска будет сохраняться и можно будет ее переснарядить, но ракеты разбивались при ударе о воду. Пустили только четыре ракеты. Надежда на возможность многоразового использования материальной части не оправдалась. Кстати, и при испытаниях последующих типов ракет так и не сумели производить повторные пуски изделия.
После удачных пусков ракет с пороховым ракетным двигателем комиссия приступила к проведению пусков ракет с ЖРД С4.5.
Первый и второй пуски ракет С4.5 были произведены соответственно 9 февраля и 2 марта 1958 г. при волнении моря 2 балла. Первая ракета после подъема на 100 м успешно приводнилась. Вторая ракета упала, разрушилась и утонула.
Третий пуск проводился 5 марта 1958 г. при волнении моря 3 балла. Ракета после подъема на высоту 80 м, падая, разломилась на две части, которые упали в море. При этом пуске была повреждена пусковая шахта. Обломки обеих упавших в море ракет были подняты и доставлены на техническую позицию.
Четвертый пуск состоялся 18 марта 1958 г. Ракета поднялась на высоту 50 м, затем приводнилась и затонула.
Пуски ракет, проведенные с неподвижного погружающегося стенда, принципиально решили задачу выхода ракеты из-под воды на воздушную траекторию и подтвердили расчетные параметры.
На следующем этапе испытаний предусматривались аналогичные исследования, но с движущегося основания — переоборудованной для этих целей подводной лодки.
Для испытаний ракет типа С4 в ОКБ-16 был разработан проект переделки боевой подводной лодки С-229 из проекта 613 в проект В613. В тактико-техническом задании на опытную лодку имелись требования обеспечить старт ракеты из пусковой шахты подводной лодки во время ее движения в подводном положении на глубине 15–20 м со скоростью 3–4 узла при волнении моря до 5 баллов. (Сх. 12)
Конструктивная и архитектурная особенность этой опытной подводной лодки заключалась в том, что две пусковые шахты на ней были «подвешены» вне прочного и легкого корпусов, они находились в районе прочных наружных цистерн в средней части корабля. Пусковая аппаратура и обслуживающие системы были установлены на освобожденных для них местах в 3-м отсеке. В связи с принятием на корабль дополнительных грузов были сняты торпеды и артустановка.
Переоборудовали подводную лодку С-229 на заводе № 444. После проведения заводских ходовых испытаний в июле 1957 г. лодка была предъявлена комиссии.
Первый пуск ракеты С4.1 с движущейся подводной лодки был произведен 9 июля 1957 г. с глубины 29 м при скорости подводной лодки 2,5 узла в штилевую погоду. Второй пуск состоялся 18 июля с глубины 28,5 м при скорости подводной лодки 3,5 узла и волнении моря 2–3 балла. При третьем (последнем) пуске, произведенном 27 июля с глубины 28 м, скорость подводной лодки составила 4,5 узла. Все три пуска прошли успешно.
Испытания на этом были прерваны из-за отсутствия готовых ракет С4.1. Возобновились они только в следующем году, буквально через две недели после пусков ракет с жидкостным двигателем с неподвижного подводного стенда.
Первый пуск ракеты С4.5 с подводной лодки проекта В613 был совершен 29 марта 1958 г. С глубины 30 м при скорости 3,5 узла и волнении моря 2 балла ракета поднялась на высоту 60 м, а в момент приводнения разбилась. Хвостовая часть ее всплыла, а остальные части найдены не были. В шахте обнаружились незначительные повреждения.
Второй пуск состоялся 4 апреля при тех же параметрах глубины и скорости. На море стоял штиль. Ракета поднялась на высоту 50 м, после приводнения всплыла и благополучно была доставлена на техническую позицию.
Третий (последний) пуск был произведен 11 апреля также с глубины 30 м, но при скорости 4,5 узла и волнении моря 1–2 балла. Ракета поднялась на высоту 60 м, при падении разбилась и затонула.
Итак, первые в мире пуски баллистических ракет с подводной лодки в подводном положении были произведены в районе Балаклавы. В США же запустили свою первую ракету из-под воды 20 июля 1960 г. с подводной лодки «Джордж Вашингтон». Собственно говоря, американцы запуска ракеты не производили, они паром выстреливали ракеты из шахты под водой, а двигатель ракеты запускался только в воздухе.
Всего за 15 месяцев испытаний в Балаклаве со стенда и с подводной лодки С-229 было произведено 14 пусков ракет С4.1 и С4.5.
Эти испытания позволили доработать ракету Р-11ФМ для подводного старта. Новая модификация получила индекс С4.7. Вес ее составил 5470 кг.
Первый этап испытаний комплекса Д-4 с баллистической ракетой Р-21 (несекретное ее название 4К-55) было решено проводить на Балаклавском полигоне.