Уже к концу 50-х годов стало ясно, что пуск ракет из надводного положения в водах, контролируемых противолодочными силами противника, боевые возможности которых неуклонно возрастали, крайне опасен для подводной лодки. Требовалось создать ракету с подводным стартом.
Работы по ее созданию были заданы постановлением Совета Министров от 17 марта 1959 года. Она должна была поступить на оснащение дизельных ракетных лодок проекта 629 и атомных - проекта 658М. Разработку поручили СКБ-385, которое возглавил молодой талантливый конструктор Виктор Петрович Макеев. Предстояло решить массу проблем, связанных с обеспечением надежного старта ракеты из под воды.
На первом этапе исследований физики явлений, имеющих место при подводном старте, на Черном море выполнялись бросковые пуски прототипов ракет с погружаемого стенда. На втором этапе использовалась погружаемый плавстенд и дизельная подводная лодка С-229, на которой оборудовали одну шахтную пусковую установку для пусков прототипов будущей ракеты. В период с мая 1960 по октябрь 1961 года было выполнено шесть пусков ракет К-1.1 со стенда и три с борта подводной лодки. В ходе пусков С-229 находилась на глубинах 40 ... 50 м и двигалась со скоростью 2,6 ... 3,5 узла.
Успешные бросковые испытания прототипов, а также завершение отработки различных систем ракетного комплекса, получившего обозначение Д-4, позволили перейти к этапу летно-конструкторских испытаний. Для ускорения завершения работ, в чем были очень заинтересованы руководители ВМФ Военно-морской флот и промышленности, решено было объединить несколько этапов (летно-конструкторские и войсковые) и провести совместные испытания. Главком ВМФ Военно-морской флот для выполнения этой программы выделил дизельную подводную лодку К-102 проекта 629Б из состава Северного флота.
Первый пуск ракеты Р-21 из подводного положения состоялся 24 февраля 1962 года. Всего в ходе испытаний было выполнено 27 пусков ракет. Они позволили отработать надежный и безопасный подводный старт ракет. Комплекс Д-4 с ракетой Р-21 был принят на вооружение постановлением Совмина СССР от 15 мая 1963 года.
По своему техническому уровню Р-21 была значительным шагом вперед, но, к сожалению, только по сравнению со своими советскими предшественницами. Она была выполнена одноступенчатой, с несущими топливными баками и отделяемой головной частью. Баки были разделены межбаковым пространством и вместе с приборным и хвостовым отсеками представляли цельносварную конструкцию.
На ракете был установлен четырехкамерный жидкостный ракетный двигатель. Все его камеры сгорания были выполнены отклоняемыми в определенной плоскости, что позволяло создавать управляющие усилия в полете.
Автономная инерциальная система управления с улучшенными характеристиками предназначалась для управления выходом ракеты на поверхность при старте с подводной лодки и вывода ее на заданную траекторию полета, стабилизации и программного управления ракетой, определения момента отделения головной части. Она обеспечила КВО Круговое вероятное отклонение точек падения в пределах - 2,8 км.
Ракета оснащалась отделяемой головной частью с термоядерным зарядом. Дальность полета составляла 1300 км при оснащении головной частью мощностью в 1 Мт и около 1450 км - с мощностью 0,8 Мт. Главным достоинством ракеты было то, что ее можно было запускать с глубины до 60 м, при скорости хода лодки 2 ... 4 узла и волнении моря до пяти баллов.
При предстартовой подготовке ракеты осуществлялся предварительный наддув баков, затем шахта заполнялась водой из специальных цистерн подводной лодки. После заполнения шахты водой осуществлялось выравнивание давления в ней с забортным и открывалась крышка шахты. Управление движением ракеты на подводном участке и выход на программную траекторию происходил за счет работы маршевого ЖРД Жидкостно-реактивный двигатель.
В состав комплекса Д-4 входили: три шахтные пусковые установки; комплекс корабельных счетно-решающих приборов управления стрельбой, аппаратура и системы подводной лодки, обеспечивающие подготовку, контроль и пуск ракет; системы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию при хранении и боевом использовании ракет.
Ракетный комплекс Д-4 с БРПЛ Баллистическая ракета подводных лодок Р-21 устанавливался в 1966 - 1972 годах в ходе плановой модернизации на дизельные лодки проекта 629А (всего переоборудовано 14 единиц) и непосредственно при достройке - на атомные лодки проекта 658М. Так как ракета Р-21 имела большие размеры пришлось несколько изменить обводы ограждения для размещения в них новых пусковых установок. С левой стороны ограждения была установлена телескопическая мачта. Заменялась и часть электронного оборудования на более совершенное. Так, например, были установлены система корабельных счетно-решающих приборов управления стрельбой, навигационный комплекс, позволявший непрерывно определять текущие географические координаты и вырабатывать текущие значения углов бортовой и килевой качки лодки.
Ракетный комплекс Д-4 оказался достаточно надежным и простым в эксплуатации. Ракета находилась на вооружении почти 20 лет В разное время на боевой службе находилось 21 подводная лодка с 63 ракетами этого типа на борту. За это время было выполнено 228 пусков ракет Р-21, из которых 193 признаны успешными. 19 пусков были неудачными из-за отказов систем ракет, а 11 - из-за ошибок личного состава и отказов обеспечивающих систем.