Формально работы над опытной АПЛ пр. П-627А начались в соответствии с уже не раз упоминавшимся постановлением Правительства от 25 августа 1956 г. Причем, этим постановлением оговаривались не только срок разработки технического проекта (до четвертого квартала 1957 г.), но и примерная дата ввода корабля в строй (в третьем квартале 1959 г.). Фактически, предварительные проработки по данному проекту начались еще в 1955 г., когда СКВ-143 получило от ОКБ-240 исходные данные по стратегической ракете П-20. Проект корабля разрабатывался без какого-либо ТТЗ, на основе технического проекта 627А с внесением необходимых изменений, вызванных размещением на лодке самолета-снаряда, систем и аппаратуры повседневного, а также предстартового обслуживания. На начальном этапе работ главным конструктором проекта являлся руководитель СКБ-143 В.Н. Перегудов, а затем его сменил Г.Я. Светаев. Главным наблюдающим от ВМФ была сотрудник 1-го ЦНИИ МО инженер-капитан 1 ранга А.Н. Донченко, которую в декабре 1959 г. сменил инженер-капитан 3 ранга B.C. Kpoвяков.

Как показала проработка эскизного проекта (представлен на рассмотрение в первом квартале 1957 г.), размещение ракетного вооружения потребовало увеличения нормального водоизмещения АПЛ пр. П-627А по сравнению с прототипом на 480 т и уменьшения скорости хода на 4,5-5 уз. По результатам рассмотрения эскизного проекта (в начале мая 1957 г.) было решено разработать технический проект с учетом выполнения следующих требований. Обеспечить лодке возможность погружения и всплытия, а также плавания в подводном положении с затопленным контейнером, надводную непотопляемость и остойчивость, управляемость на перископной глубине в режиме движения под ГЭД с заглушёнными реакторами обоих бортов и с возможностью пуска установки одного из бортов. Кроме того, требовалось увеличить запасы ВВД и вылет перископа, изготовить из маломагнитной стали легкий корпус, ограждение рубки, ракетный контейнер, цистерны замещения и стабилизаторы.

В техническом проекте (представлен на рассмотрение в четвертом квартале 1957 г.) требование обеспечить надводную непотопляемость и остойчивость привело к необходимости увеличить ширину легкого корпуса корабля до 9,2 м. С целью уменьшить сопротивление движению в подводном положении, в кормовой части ограждения рубки за контейнером установили специальный обтекатель. Так как длина ПК увеличилась, то увеличилось и расчетное давление на него. Учитывая, что сталь для изготовления ПК была принята такой же, как и в пр.627А (в целях унификации), глубина погружения пр. П-627А снизилась до 285 м (против 300 м у пр.627А). В этом проекте (в отличие от пр.627А и эскизного проекта) были приняты плоские межотсечные переборки, рассчитанные на давление 10 кг/см2 , прочные уравнительные цистерны вынесли в межкорпусное пространство, а для аварийного замещения плавучести контейнера спроектировали балластно-аварийную цистерну. На стабилизаторах установили малые кормовые горизонтальные рули (МКГР), которые использовались на больших подводных скоростях (свыше 16 уз), благодаря чему исключалась возможность превышения допустимых дифферентов, а на малых ходах лодка управлялась по глубине большими кормовыми горизонтальными рулями (БКГР).

В техническом проекте также изменился состав вооружения. Вместо восьми 533-мм ТА (принятых в пр.627А и в эскизном проекте) на нем оставили только четыре 533-мм ТА, а остальные заменили двумя 400-мм ТА. Сократился торпедный боезапас. Был установлен второй зенитный перископ. В конечном итоге, после реализации всех требований, нормальное водоизмещение корабля в техническом проекте возросло до 3950 т. Он был утвержден в мае 1958 г. После этого ЦКБ-143 приступило к разработке рабочих чертежей, с учетом замечаний по техническому проекту и опыта эксплуатации первой АПЛ пр.627А.

В процессе разработки технических чертежей в проект продолжали вносить изменения. Среди них можно отметить вынос цистерны быстрого погружения из третьего отсека в межкорпусное пространство, замену трех групп АБ двумя с элементами нового типа, замену компрессоров более совершенными и производительными, внедрение устройства закрытия (открытия) забортных отверстий и вырезов в легком корпусе при помощи шпигатных затворов и кингстонов и т.п. В результате внесенных изменений нормальное водоизмещение корабля возросло до 4014 т.

В марте 1957 г. (когда была завершена разработка эскизного проекта) на ССЗ-402 начали заказывать сталь для конструкций прочного корпуса корабля (зав. №282). Тогда предполагалось, что он будет передан флоту в начале 1960 г. В задачу опытной АПЛ пр. П-627А входила отработка в корабельных условиях комплекса П-20. Серийными его носителями должны были стать лодки пр. 653. Однако в феврале 1960 г. было принято решение о прекращении работ по комплексу П-20 и, как следствие, по пр. П-627А. Такое решение объясняется появлением более эффективных комплексов БР. Строившуюся лодку решили переоборудовать в опытную АПЛ пр. ПТ-627А.

Технический проект П-627А опытной АПЛ, вооруженной стратегическим самолетом-снарядом комплекса П-20, был разработан в СКБ-143 под руководством В.Н. Перегудова, а затем Г.Я. Светаева. Работы над ним начались в июле 1956 г., а уже в 1959 г., как предполагалось, ССЗ-402 (г. Молотовск) построит корабль. Проект разрабатывался без ТТЗ на основе технического проекта 627А с внесением необходимых изменений, вызванных размещением на корабле ракетного вооружения.

Комплекс П-20 (главный конструктор С.В. Ильюшин) предназначался для поражения наземных объектов специальными (ядерными) боевыми зарядами. Самолет- снаряд хранился со сложенными консолями крыла на специальной тележке в прочном водонепроницаемом контейнере (21 х 4,6 м). Контейнер располагался горизонтально в надстройке за ограждением рубки и имел откидывающуюся на борт крышку. Перед пуском, после открытия крышки, самолет-снаряд на тележке выводился из контейнера на поворотный лафет, на котором затем закреплялся с помощью стопорного устройства, после чего лафет поднимался на стартовый угол 16°. Пуск самолета-снаряда осуществлялся с помощью двух стартовых пороховых ускорителей, расположенных под консолями высоко расположенного крыла. Стартовые ускорители разгоняли его до скорости, обеспечивающей устойчивую работу маршевого ПВРД. Полет самолета-снаряда под маршевым двигателем должен был происходить на высоте порядка 30 км.

После пуска все операции выполнялись в обратном порядке: лафет переводился в горизонтальное положение и вместе с тележкой вкатывался в ракетный контейнер. Все операции предстартовой подготовки были механизированы, а также автоматизированы и выполнялись при помощи дистанционно управляемых приводов. Расчетное время пребывания АПЛ в надводном положении при стрельбе составляло 6,5 м. Аппаратура повседневного обслуживания и предстартовой подготовки, а также навигационный комплекс с астронавигационной системой размещались в ЦП корабля. В связи с этим часть его оборудования (например, ПУТС) перенесли в два носовых отсека. Для обеспечения необходимой остойчивости при погружении и всплытии, замещения массы самолета-снаряда (около 20 т) и замещения солености морской воды вдоль ракетного контейнера располагались две цилиндрические цистерны суммарной емкостью 60 м3 . Для обеспечения остойчивости в надводном положении предусматривалось 205 т твердого балласта. С целью улучшения управляемости на лодке была увеличена площадь кормовых горизонтальных и вертикальных рулей, при сохранении прежней мощности прессов. Во всем остальном корабль повторял АПЛ пр. 627А.

Основные ТТЭ
Водоизмещение, т:
– нормальное 4014
Главные размерения, м:
– длина наибольшая 110,2
– ширина корпуса наибольшая 9,2
– осадка средняя 6,3
Запас плавучести, % ~40
Архитектурно-конструктивный тип двухкорпусный
Глубина погружения, м:
– рабочая 285
– предельная 360
Автономность по запасам провизии, сут 50-60
Экипаж, чел 90

Энергетическая установка:
Главная:
– тип АЭУ
ППУ:
– количество х тип (индекс) ЯР 2 х ВВР (ВМ-А)
– суммарная тепловая мощность ЯР, мВт. 140
ПТУ:
– количество х мощность (индекс) ГТЗА, л.с 2 х 17 500 (ГТЗА-601)
– количество хтип движителей 2 хВФШ
ЭЭС:
– количество х мощность (тип и индекс)
основных источников, кВт. 2 х 1400 (НТГ, ГПМ-21)
– количество х мощность (тип и индекс) резервных источников, кВт. 2 х 1400 (ДГ, М-820)
– тип (индекс) аварийного источника свинцово-кислотная АБ (38-СМ)
– количество групп АБ х элементов в каждой группе АБ 2 х 112
Вспомогательная:
– количество х мощность (тип и индекс) РСД, кВт 2 х 390 (ГЭД на линии вала, ПГ-116)
Скорость хода, уз:
– наибольшая подводная под ГТЗА 23-25,5
– наибольшая надводная под ГТЗА 14-15

Вооружение:
Ракетное:
– индекс комплекса П-20
– боезапас 1 стратегическая КР П-20
– вид старта надводный, из стационарного РК с подъемом лафета
– система подготовки и старта «Сокол-П»
Торпедное:
– количество х калибр ТА, мм 4 (Н) х 533
– боезапас 4торпеды (53-65М или 53-65К)
– количество х калибр ТА, мм 2 (Н) х 400
– боезапас 6 торпед (СЭТ-40 или МГТ-1)
– ПУТС «Ленинград-П627»
Радиоэлектронное:
– НК «Сила-Н-627»
– ГАС «Арктика-М»
– ШПС. МГ-10
– ГАС миноискания «Плутоний»
– станция ЗПС «Свияга» (МГ-15)
– ГАС ОГС «Свет-М»
– РЛК «Альбатрос» (РЛК-101)
– станция опознавания «Хром-К»
– СОРС «Накат»
– эхолот. НЭЛ-5
– перископы зенитные ПЗИ-10 + ПЗИ-8