В результате разработка осуществлялась практически заново, без унификации с К-80. Уже в 1962 г. был выпущен аванпроект по К-40 («изделие 46»), который содержал два варианта компоновок ракеты. Для дальнейшей разработки взамен нормальной схемы, примененной в К-80, была принята схема «утка». С учетом размещения двигателя в центральной части ракеты данное компоновочное решение позволило сузить область динамических параметров ракеты как объекта управления. Большая площадь крыла обеспечивала высотность ракеты, а также способствовала снижению влияния синхронных ошибок. При этом основные приборы ракеты были сосредоточены впереди двигателя, а бортовой источник электропитания — в хвостовом отсеке. Разнесенные по длине ракеты боевые части находились как перед двигателем, так и в хвостовой части корпуса. Впервые для боевой части КУ-46 было реализовано узконаправленное поле поражения. Для обеспечения точной выдачи команды на подрыв боевых частей и высокой помехозащищенности также впервые был использован комбинированный радиооптический взрыватель (КРОВ) «Аист» (позднее — модификация «Аист-М»), разрабатывавшийся совместно НИИ-571, ЛОМО и ГОИ.
В соответствии с принятой схемой двигатель ПРД-134 был выполнен двухсопловым. Размещение его вблизи центра масс обеспечило близость динамических характеристик ракеты в начале и по завершении его работы. В двигателе впервые для отечественных ракет «воздух-воздух» применялось разработанное НИИ-6 высокоэнергетическое смесевое металлосодержащее топливо. Для защиты от прогрева на титановый корпус двигателя помимо внутреннего было нанесено и наружное теплозащитное покрытие (ТЗП).
Задача поддержания приемлемого теплового режима в аппаратурных отсеках решалась применением специальной фреоновой системы охлаждения, запитываемой от баллона, размещенного на пусковой установке АПУ-84-46, а также нанесением ТЗП на внутренние поверхности корпусов отсеков. Мощные тепловые потоки потребовали применения ситала в обтекателе радиолокационной ГСН.
В полуактивной радиолокационной головке самонаведения ПАРГ -12 впервые в отечественной и мировой практике использовали моноимпульсный метод обработки информации и дальномер с двумя интеграторами, чем обеспечивалась устойчивость ГСН к воздействию амплитудных помех, эффективных по сравнению с ранее созданными головками с коническим сканированием. В ГСН также нашли воплощение оригинальные схемы стабилизированного генератора СВЧ и приемника опорного сигнала. В отличие от ранее применявшихся схем с автоматическим регулированием усиления, реализованная в данной ГСН логарифмическая характеристика приемника исключала «ослепление» при резких перепадах мощности помехи.
Головку самонаведения оснастили двухзеркальной антенной Кассегрена, обеспечивающей большой угол отклонения луча — до ±70'. Перед стартом ракеты на борт вводилось целеуказание по азимуту в пределах ±60'. С другой стороны, антенна Кассегрена оказалась особо чувствительной к так называемым синхронным ошибкам, вносимым неоднородностями обтекателя. Потребовался специальный стенд для отладки серийных ГСН совместно с обтекателем перед установкой на ракеты.
Экстремальные условия нагрева определили использование оптикокерамики в тепловой ГСН Т-40А1. Головка самонаведения принимала целеуказание в пределах ±55°.
Ход разработки несколько замедлился из-за того, что кооперация разработчиков претерпела ряд вынужденных трансформаций. Во-первых, правительственным решением от 25 мая 1964 г. ОКБ-3, создававшее автопилот, включили в «империю Челомея» — ОКБ-52. Как известно, Владимир Николаевич был большим мастером привлечения кадров сторонних организаций для решения поставленных перед ним задач. Автопилотом для ракеты К-40 поручили заниматься заводу № 118. Вскоре и создание радиолокационной ГСН передали от НИИ-648 разработчику РЛС «Смерч-А» — НИИ-131 (в дальнейшем — НПО «Фазотрон»), В этом же институте коллектив конструкторов во главе Е.Н. Геништой и его заместителем Б.И. Кононученко продолжил трудиться над ГСН для К-40. Так или иначе, в результате замены важнейших смежников разработка была отброшена на пару лет назад. В качестве подстраховки рассматривалась возможность выхода С-155 на летные испытания с вооружением на базе ракеты К-80, создававшейся для Ту-128. Активизировалась деятельность по летной отработке локатора «Смерч-A» и ракет К-80 на самолетах семейства Е-150/Е-152. Однако общий ход работ по другим элементам авиационно-ракетного комплекса также отставал от ранее поставленных сроков.
Испытания бортовой самолетной РЛС «Смерч-A» и ракетного вооружения проводились на летающей лаборатории — модифицированном Ту-104 № 42736, который уже в 1965 г. выполнил 23 полета для отработки ГСН ракеты.