Предстартовая подготовка Р-21 занимала примерно 30 минут. За это время осуществлялся предварительный наддув баков окислителя (воздухом) и горючего (азотом) до давления 2,4 атм. Затем шахта заполнялась водой из цистерн кольцевого зазора. Одновременно продолжался наддув баков до давления 8,5 атм. При этом заданный уровень воды в шахте поддерживался автоматически при помощи специальных датчиков. После ее полного заполнения водой происходило выравнивание давления с забортным. Затем отдраивалась и открывалась крышка шахты. Старт ракеты происходил путем запуска маршевого ЖРД в воздушный «колокол», образованный нижним днищем бака горючего, оболочкой хвостового отсека и стартовым устройством (столом). Наличие «колокола» позволяло демпфировать газодинамические процессы, возникающие в процессе старта ракеты в шахте, не имеющей специальных газоотводов.

Конструкция Р-21 и используемые компоненты топлива, предопределили ее массогабаритные характеристики: стартовая масса достигала почти 20 т, а длина превышала 14 м. Как показывали расчеты, на АПЛ пр. 667с нормальным водоизмещением 6200 т, можно было разместить только восемь таких ракет, да и то, используя весьма экзотичные поворотные ПУ. Вооружение же ими ДЭПЛ, с примерно такими элементами как у пр. 629, вообще признавалось нецелесообразным. Мало того, когда Р-21 приняли на вооружение (в мае 1963 г.) в нашей стране уже велись работы над малогабаритной БР Р-27 с почти вдвое большей дальностью стрельбы (2500 км). Таких ракет, на все той же АПЛ пр. 667, после некоторого увеличения ее нормального водоизмещения, можно было разместить 16 единиц. Стало очевидным, что в создании специализированных носителей комплекса Д-4 не было никакого смысла. В этих условиях единственным достоинством Р-21 оказалось то, что она имела схожие с Р-13 массу и габариты. Благодаря этому представилась возможность существенным образом модернизировать физически новые, но морально устаревшие корабли пр. 658 и пр. 629.

Одна из АПЛ пр. 658 СФ в море

Внешний вид АПЛ КС-19 (вверху) и К-33 в период проведения испытаний одной из модификаций СОКС «Снегирь»

Проект модернизации АПЛ пр. 658 разрабатывался в ЦКБ-18 под руководством С.Н. Ковалева. Он получил индекс 658М. В соответствии с ним шахты диаметром 2450 мм комплекса Д-2 заменили шахтами диаметром 2150 мм, установленными на имевшиеся комингсы прочного корпуса. Так как Р-21 подавалась на носитель полностью заправленной (с окислителем и горючим), топливные цистерны в ограждении были демонтированы, что позволило разместить в нем дополнительное ПМУ астронавигационного перископа «Сегмент». В процессе модернизации заменялись счетно-решающие приборы (системой «Изумруд»), корабельные приборы повседневного и предстартового обслуживания (КСППО) и навигационный комплекс (комплексом «Сигма-658» в обеспечении астронавигационного перископа «Сегмент»). Кроме того, вводился автомат пеленга и дистанции (система «Ставрополь»).

В период с ноября 1964 г. по апрель 1971 г. на МП «Звездочка» в Северодвинске (К-149, К-55, К-40, К-19, К-16и К-33) и на СРЗ «Звезда» во Владивостоке (К-178) по пр. 658М прошли модернизацию семь кораблей пр. 658. Восьмой корабль серии – К-145- с декабря 1971 г. по ноябрь 1972 г. прошел модернизацию по пр. 701. Начиная с 1977 г., в соответствии с договором ОСВ-1 все ракетное вооружение с АПЛ пр. 658М было постепенно снято. Некоторые источники утверждают, что после этого корабли переоборудовались по пр. 658Т. На самом деле подобных работ никто не проводил ввиду отсутствия военной целесообразности. Действительно, лодки пр. 658 обладали значительной шумностью, малым торпедным боезапасом и несовершенными гидроакустическими средствами, чтобы стать эффективными носителями торпед.

Если говорить о модернизациях (или переоборудованиях), не связанных с ракетным вооружением, то они проводились исключительно с целью испытаний новейших радиотехнических средств. Так, например, в 1964 г. на К-33 и К-178 смонтировали гидроакустический измеритель скорости звука (ГИВЗ) «Береста-М» (с размещением антенного поста на ограждении) и аналоговый построитель зон акустической освещенности с учетом вертикального распределения скорости звука «Лучеграф» (МГ-33). В процессе испытаний обе системы доказали свою эффективность и в процессе проведения модернизации (по пр. 658М) устанавливались на всех однотипных кораблях пр. 659.

Кроме того, в период с января 1976 г. по 30 ноября 1979 г. К-19 переоборудовали по пр. 658С в лодку специального назначения, предназначенную для испытаний опытных и головных образцов различных устройств и систем радиосвязи. В частности, на этом корабле впервые прошли испытания выпускной всплывающей антенны буйкового типа (ВВАБТ) «Залом», впоследствии устанавливавшаяся на АПЛ пр. 949А. В середине 80-х годов для испытаний СОКС К-33 прошла соответствующую модернизацию, связанную с установкой ее датчиков (на ограждении, банкетах надстройки и на корпусе), а также контрольно-измерительной аппаратуры.

С целью повышения тактико-технических характеристик морского стратегического ракетного оружия в 1963 г. комиссия ВПК рассмотрела вопрос о необходимости создания комплекса Д-9 с малогабаритной межконтинентальной баллистической ракетой высокой точности Р-29 (4К-75), длительного хранения, а также с высокой степенью готовности к старту из подводного или надводного положения носителя. В этом качестве одновременно рассматривались как ДЭПЛ, так и АПЛ существующих проектов. Формально работы над комплексом Д-9 начались после выхода постановления Правительства Советского Союза от 28 сентября 1964 г. К этому моменту Институт Вооружения ВМФ (НИИ-28) разработал на него ТТЗ, а ГУК ВМФ рассмотрело предэс- кизные варианты его носителей, которые на начальном этапе работ имели один и тот же индекс – пр. 701. Впоследствии (в декабре 1964 г. после выдачи ТТЗ) проект атомного носителя воспринял этот индекс, а проект дизельного носителя получил новый индекс – пр. 601. Разработкой обоих проектов должно было заниматься ЦКБ-16.

Одним из носителей стала соответствующим образом модернизированная АПЛ пр. 658. В процессе проведения работ коллективу конструкторов ЦКБ-16 во главе с Н.Н. Исаниным предстояло решить две задачи. Во-первых, разработать технический проект и рабочие чертежи для переоборудования АПЛ пр. 658 с целью проведения на ней совместных летных испытаний ракет комплекса Д-9. Во-вторых, разработать технический проект размещения на АПЛ пр. 658 комплекса Д-9 с целью изучения возможности перевооружения всей серии этих кораблей. После завершения совместных летных испытаний ракеты Р-29, головную лодку серии также должны были дооборудовать в боевой корабль. Ответственным за работы по самому комплексу Д-9 было назначено СКБ-385 во главе с В.П. Макеевым, а по его штатному носителю – АПЛ второго поколения пр. 667Б – ЦКБ-18 во главе с С.Н. Ковалевым.

В основу разработки технического проекта 701 было положено стремление по возможности сохранить без изменения общекорабельные технические средства и системы АПЛ пр. 658, а также в максимально возможной степени увеличить ракетный боезапас. Как показали расчеты, выполнение этих двух условий позволяло разместить на корабле пр. 701 шесть (вместо трех на пр. 658) ракетных шахт комплекса Д-9. В декабре 1964 г. ВМФ выделил для модернизации К-145 (зав. №906). В марте 1965 г. ЦКБ-16 закончило разработку технического проекта и 2 августа 1965 г. его утвердили совместным решением Министерства судостроительной промышленности и командования ВМФ. При этом был выдвинут целый ряд замечаний, для устранения которых требовалось выполнить дополнительные проектные проработки и совместно с ЦНИИ-1 МО (в/ч 27177) принять решение об их внедрении в пр. 701.