В этот период строилось также много подводных лодок. Количество их разномастных проектов было радикально сокращено. Шло массовое перевооружение флота новыми дизельными подводными лодками 641-го проекта, предназначенными для замены лодок проекта 611. Первая лодка была заложена 3 октября 1957 года и передана флоту 25 декабря 1958 года. При этом было отменено проектирование и строительство целого зоопарка дизельных лодок с крылатыми и баллистическими ракетами – проекты 644, 651, 665, АВ-611, 629, сокращено количество лодок проектов 613 и 633. Сэкономленные ресурсы и время были использованы для тщательной доводки новых атомных подводных лодок. Испытательные пуски крылатых ракет проводились с оборудованных пусковыми контейнерами надводных кораблей.
На заводе «Красное Сормово» решено было строить только дизельные лодки, так как размеры атомоходов, которые можно было там строить, лимитировались размерами речных шлюзов, через которые предстояло их проводить.
Строящиеся лодки 641-го проекта и уже стоящие на вооружении лодки проектов 611, 613, 633 в качестве усиления вооружения получили, в дополнение к торпедам, новые крылатые ракеты «55Т», получившие в серии обозначение 3М10Т (АИ). С этими ракетами любая из старых дизельных лодок становилась носителем стратегического ракетного оружия, способным нанести удар на дистанции около 2500 километров.
Для поражения морских целей лодки могли брать вместо части торпед сверхзвуковые ПКР «55П», в серии получившие индекс 3М10П. Недостатком этого варианта было сокращение торпедного боекомплекта. Поэтому в ЦКБ-16 Николая Никитича Исанина проводилась опытно-конструкторская работа по установке на дизельные подводные лодки ячеек УВП, либо путём врезки в корпус короткого дополнительного отсека между 1-м и 2-м отсеками, либо врезкой пусковых шахт в балластные цистерны побортно, там, где такой вариант позволяла конструкция (АИ).
При этом была отменена на ранней стадии разработка крылатых ракет П-10 и П-20. Их предлагали разрабатывать ради подстраховки, на случай, если у Челомея возникнут трудности с доводкой П-5 и П-6. Но Владимир Николаевич со своей задачей справился хорошо, к тому же учёл подсказки, переданные из ИАЦ через ВИМИ, и добился высокой степени унификации своих изделий, не говоря уже о расширении их тактических возможностей. Его ракеты, получив радиовысотомеры и допплеровские измерители скорости и сноса, научились летать в режиме огибания рельефа местности, что позволяло им подкрадываться к цели на предельно малой высоте.
Челомей, найдя удачную компоновку ракеты на примере П-5/П-6, взялся развивать её в целое семейство. Помимо П-35, предназначенной для вооружения эскортных кораблей, он намеревался увеличить дальность ракеты, для её применения по наземным целям. За счёт использования более экономичного варианта турбореактивного двигателя сверхзвуковая ракета, получившая наименование П-7, теперь могла поражать цели на дистанции 1000 километров, вместо 550 у П-5Д, и при этом запускалась из тех же пусковых контейнеров, что и П-5/П-6 (АИ, в реальной истории проект был отменён из-за прогресса баллистических ракет. Затем задачу увеличения дальности ПКР так или иначе пришлось решать созданием образцов П-500 «Базальт» и П-1000 «Вулкан»). Владимир Николаевич точно угадал основную тенденцию, и, помимо ядерного оснащения, распорядился уделить особое внимание варианту с обычной БЧ и высокоточной телевизионной системой наведения с лазерной подсветкой цели. Этот вариант в мае 1960-го удачно зарекомендовал себя в Греции (АИ), и теперь Челомей считал его основным.
В этот же период шло совершенствование торпедного вооружения лодок. На базе принятой на вооружение в 1956 году торпеды 53-56 разрабатывалась акустическая самонаводящаяся модификация 53-56ВА. Подводные лодки получили также модификацию торпеды 53-57, управляемую по проводу в шланговой катушке (АИ). Параллельно разрабатывалась новая торпеда 53-61, с самонаведением по кильватерному следу. На базе торпеды 53-57 была разработана атомная торпеда 53-58 (Т-5), с ядерной боевой частью мощностью 3 килотонны, предназначавшаяся для поражения авианосных ударных соединений противника.
Для вооружения атомных подводных лодок разрабатывалась торпеда увеличенного диаметра 650 мм. Постановление о её разработке было принято 4 марта 1958 г, и весной 1961-го ожидалось начало испытаний опытной партии на озере Иссык-Куль. Предполагалось, помимо обычной прямоходной торпеды, также разработать её телеуправляемый вариант, тоже с управлением по проводу, и самонаводящийся, с наведением по кильватерному следу.
В программе строительства атомного подводного флота изменения были ещё более значительны. В постройке были торпедные лодки изменённого проекта 627, на конец 1960 года их было построено и сдано флоту 5 единиц: К-3, К-5, К-8, К-14 и К-52. Благодаря тщательной конструкторской отработке, строжайшей трудовой дисциплине на производстве, и отсутствию спешки работа шла даже более ритмично и быстро, чем когда людей подгоняли. У конструкторов было время на доработки, так как многие недостатки лодок первого поколения были учтены, благодаря «информации из ВИМИ», уже на этапе проектирования. Теперь не было проблем с текущими парогенераторами, значительно уменьшилась шумность и пожароопасность.
Изучая в 1957 году информационную подборку по атомным подводным лодкам, подготовленную аналитиками ИАЦ (АИ, см. гл. 02-46), военно-морской министр адмирал Кузнецов с ужасом выяснил, что в «той» истории почти все АПЛ проекта 627 в период 1960-63 гг оказались небоеспособны. Причиной было применение в конструкции парогенераторов нержавеющей стали, которая при тех температурах и давлениях быстро выходила из строя из-за образования большого количества микротрещин.
13 октября 1960 года во время похода в Баренцевом море на лодке К-8 была обнаружена протечка трубопроводов 1-го контура. В ходе ликвидации аварии произошёл разрыв парогенератора 2-го контура. В результате аварии экипаж получил большие дозы облучения. Аналогичные аварии повторялись 1 июня 1961 г и 8 октября 1961 г, в результате лодка 11 ноября 1961 г встала на средний ремонт и не смогла принять участие в походе к берегам Кубы в октябре 1962 г. По тем же причинам в 1962-1964 гг однотипная лодка К-14 также оказалась в ремонте, у неё полностью вырезали и заменили реакторный отсек. Похожая авария произошла во время учебного похода 4-10 апреля 1962 г на лодке К-52, из-за чего она также всю вторую половину 1962 г провела в ремонте. Радиационная авария, связанная с разрушением ТВЭЛов в реакторе, произошла в 1963 г на лодке К-5, также проходившей ремонт в период с 19 ноября 1960 г по декабрь 1962 г.
Таким образом, все многоцелевые АПЛ первого поколения, строившиеся в тот период с невероятным напряжением всей промышленности страны, оказались непригодны к боевой службе, и встали на ремонт ровно в тот момент, когда были более всего востребованы – в момент Карибского кризиса. Хуже того, командование Северного флота, получив приказ отправить к Кубе подводные лодки, побоялось доложить, что все наличные АПЛ находятся в ремонте, и, выполняя приказ, послало для выполнения нереальной для них боевой задачи 4 дизельные лодки 641 проекта, фактически дезинформировав министерство обороны и высшее политическое руководство страны.
Прояснив ситуацию, адмирал замучил требованиями разработчика парогенераторов Генриха Алиевича Гасанова и руководителя подводной атомной программы СССР академика Александрова, настаивая на замене нержавеющих парогенераторов на титановые.
Первоначально требования Кузнецова из атомщиков поддерживал только Курчатов. Академику Александрову, который не был убеждён в необходимости применения дорогостоящего и трудно обрабатываемого титана, Хрущёв был вынужден отдать прямое распоряжение делать парогенераторы титановыми (АИ, см. гл. 02-08). Однако Гасанов, которому очень не хотелось переделывать только что спроектированную конструкцию и связываться с капризным и пожароопасным титаном, и после этого ещё сопротивлялся, пока, в итоге, Николай Герасимович не убедил атомщиков построить на Обнинской АЭС защищённый бетонным куполом наземный стенд для испытаний парогенераторов. На нём были проведены эксперименты для подтверждения информации о поведении нержавеющей стали в условиях высоких давлений, температур и радиоактивного облучения.