Проработкой вопросов, связанных с подводным стартом баллистических ракет, занималось ОКБ-Ю НИИ-88 под руководством главного конструктора Е.В.Чарнко. Чарнко создал экспериментальную ракету на базе Р-11ФМ для определения возможности запуска двигателя в заполненной водой шахте. Вначале проходили бросковые испытания с неподвижного погруженного стенда в Балаклаве. 23 декабря 1956 г. на Черном море состоялся первый старт макета ракеты из под воды. Второй этап бросковых испытаний проходил на специально оборудованной дизельной ПЛ пр.В-613. В конце марта – середине апреля 1958 года с нее было произведено три пуска макета ракеты. Третий этап наметили на конец лета 1959 года. К этому времени Р-11ФМ была уже доработана для подводного старта и ей присвоили индекс С-4.7, а уже знакомая нам ПЛ Б-67 прошла модернизацию по проекту 611 -ПВ под ракету С-4.7.
Однако первый подводный старт с Б-67 в августе 1959 года оказался неудачным. Лодка погрузилась на стартовую глубину. Находившиеся на опытном судне “Аэронавт” представители флота и промышленности ждали пуск. Время "Ч" прошло, по УКВ с "Аэронавта" запросили лодку, почему не выполнен старт и получили в ответ: "Старт состоялся". После всплытия Б-67 была открыта шахта, где стояла нестартовавшая ракета, через несколько секунд произошел самопроизвольный запуск двигателя ракеты. Ракета сорвала крепления по-походному и ушла в небо. Причину аварийного старта установить не удалось. И следующая попытка подводного пуска с Б-67 состоялась почти через гол 14 августа 1960 г. В ходе заполнения шахты водой последовал удар, и лодку встряхнуло. Оказалось – ракету сбросило со стартового стола, головная часть ракеты была смята. Причиной аварии оказался заводской дефект в системе заполнения шахты водой.
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. 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.
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 снижения 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 было проведено 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 летноконструкторских 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 были начаты в феврале 1962 года на Северном флоте.
Первый пуск ракеты Р-21 из подводного положения был произведен 24 февраля 1962 г. с ПЛ К-102 проекта 629Б. Всего в ходе испытаний было произведено 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.