Компоновка ракеты, реализованная в «V-2», «Р-1» и «Р-2», не подходила для ракеты «Р-5», рассчитанной на дальность порядка 1000 км, поэтому пришлось пересмотреть всю конструкцию. Прежде всего следовало максимально облегчить саму ракету. Для начала отказались от тяжелого приборного отсека – приборы системы управления разместили в отсеке, который был прямым продолжением хвостового. Затем была реализована старая идея – оба топливных бака (этиловый спирт и жидкий кислород) сделали несущими, что позволило дополнительно разгрузить ракету.

Был закрыт и еще один важный вопрос. Отделяемая боеголовка «Р-5» входила в атмосферу со скоростью 3 км/с – понятно, что при этом она сильно нагревалась. Для защиты ее от термического разрушения были созданы специальные «уносимые» покрытия – избыточная тепловая энергия поглощалась за счет испарения их поверхностного слоя и отводилась потоком воздуха. Сегодня этот принцип теплозащиты широко используется в ракетно-космической технике.

В 1953 году, перед началом полигонных запусков, в филиале № 2 НИИ-88, расположенном в комплексе новых зданий под городом Загорском, провели огневые стендовые испытания с целью определения реальных температур компонентов топлива в баках ракеты, проверки двигательных систем, отработки циклограммы запуска. Впоследствии огневые испытания («прожиги») узлов и элементов новых ракет в полном сборе на стенде станут обязательными.

Первый этап запусков «Р-5» на полигоне Капустин Яр был проведен весной 1953 года. Всего было испытано в полете восемь ракет: на дальность 270, 550 и 1200 км. Второй и третий этапы испытаний начались поздней осенью 1953 года, а завершились в феврале 1955 года. Ракета показала себя очень хорошо, но пришлось дорабатывать систему радиоуправления дальностью. Проблему решили, но к тому времени «фирма» Королева переориентировалась на модификацию «Р-5» – ракету «Р-5М». Дело в том, что 12 августа 1953 года в Семипалатинске было проведено успешное испытание первого отечественного термоядерного заряда РДС-6с мощностью 400 килотонн в тротиловом эквиваленте. Советским атомщикам удалось создать заряд сравнительно небольших размеров и массой примерно в одну тонну. Теперь предстояло под этот заряд построить баллистическую ракету.

Постановление о разработке ракеты на основе «Р-5» для доставки термоядерного заряда на дальность 1200 км было выпущено 10 апреля 1954 года. Нужно было разработать новую, более короткую, коническую головную часть, которая позволяла бы уменьшить скорость ее падения на последнем участке траектории в два раза. Но это вело к сокращению общей длины ракеты и изменению ее аэродинамических характеристик, что в свою очередь влекло за собой экспериментальные работы по определению нового облика «изделия», получившего обозначение «Р-5М». Наличие же ядерного заряда вызвало необходимость повышения надежности системы управления, чтобы ошибка или повреждение в одной цепи не приводили к общему отказу. Кроме того, требовалось упростить процесс подготовки ракеты к старту и сократить число обслуживающего персонала.

Коллектив ОКБ-1 блестяще справился с задачей модернизации «Р-5». При этом был выдержан очень жесткий срок заводской отработки ракеты «Р-5М» – в течение 1954 года. Для повышения ее надежности все цепи бортовой системы управления были продублированы. Кроме того, была введена новая система аварийного подрыва – если из-за каких-либо отказов произойдет значительное отклонение ракеты от программной траектории, ее следует уничтожить в полете. Конструкторам удалось полностью автоматизировать процесс запуска, но предстартовая подготовка все еще отнимала много времени – 30 часов. Позже за счет улучшения организации работы это время сократили до 5–6 часов.

У «Р-5М» оставался серьезный и неустранимый недостаток – жидкий кислород, используемый в качестве окислителя, не позволял хранить ракету в заправленном состоянии длительное время. Для пополнения постоянно выкипающего кислорода нужно строить мощные промышленные предприятия в районах базирования ракетных частей. Подпитывать ракету окислителем необходимо было и непосредственно перед пуском – для этого возводились громоздкие стартовые сооружения. И все же армия получила оружие огромной разрушительной силы. За 10–12 минут ракета могла доставить боевой заряд, способный уничтожить большой промышленный город, на расстояние свыше тысячи километров.

2 февраля 1956 года эту возможность подтвердил контрольный запуск «Р-5М», завершивший длительный цикл испытаний. Впервые в мире баллистическая ракета пронесла через космос атомную боеголовку. Преодолев положенные 1200 км, боеголовка дошла до земли в районе Аральских Каракумов. Сработал ударный взрыватель, и чудовищный взрыв открыл ракетно-ядерную эру в истории человечества. Мощность взрыва составила более 80 килотонн в тротиловом эквиваленте, что в четыре раза превысило мощность взрыва в Хиросиме.

Никаких официальных публикаций по поводу этого исторического события не последовало. Американская разведка в то время не имела средств обнаружения ракетных пусков, поэтому факт взрыва был отмечен лишь как очередное наземное испытание атомного оружия.

На середину 1950-х годов «Р-5М» была лучшей баллистической ракетой. Поэтому не приходится удивляться, что на ее основе в «фирме» Королева быстро появились проекты «научных» ракет, нацеленных на дальнейшее изучение высших слоев атмосферы, околоземного пространства и аспектов космического полета по суборбитальной траектории до высоты порядка 500 км. Именно с «Р-5М» сам Сергей Королев связывал свои новые планы по запуску космонавта – не подопытной собаки, а человека.

Еще шли полным ходом испытания «Р-5М», а в июне 1955 года Королев подготовил отчет о своей научной деятельности, в котором как бы мимоходом упомянул о реальности создания «ракетного корабля для полетов человека на большие высоты и для исследования межпланетного пространства». В сентябре главный конструктор выступил на Юбилейной сессии, посвященной 125-летию МВТУ имени Баумана. Его доклад назывался «К вопросу о применении ракет для исследования высоких слоев атмосферы и полетов в надатмосферном пространстве». В нем Королев подводил определенный итог работам по «научным» ракетам, а главное – впервые в большой аудитории было заявлено о возможности полета «автоматически управляемой ракеты – летающей лаборатории с экспериментатором для производства наблюдений на высотах порядка 100 км». При этом рассматривался как вертикальный полет, так и полет по пологой траектории для перевозки пассажиров. В заключение своего выступления Сергей Павлович обратился с призывом, «чтобы советский человек первым совершил полет на ракете».

Несмотря на секретность, доклад Сергея Королева вызвал резонанс. Молодые ученые из Научно-исследовательского испытательного института авиационной медицины – Абрам Моисеевич Генин, Иван Иванович Касьян, Александр Дмитриевич Серяпин, Евгений Яковлевич Шепелев и Евгений Михайлович Юганов – даже написали заявление с просьбой доверить им полет в ракете.

20 апреля 1956 года состоялось совещание Междуведомственной комиссии для координации работ по исследованию верхних слоев атмосферы при президенте Академии наук СССР под председательством Анатолия Аркадьевича Благонравова и Леонида Ивановича Седова, на котором выступили с докладами Владимир Иванович Яздовский («К проблеме полета человека в верхние слои атмосферы») и Михаил Клавдиевич Тихонравов («О перспективах полета человека в верхние слои атмосферы»). Это были выступления теоретического плана, но уже тогда в докладе Яздовского прозвучала мысль о необходимости приземления пилота с помощью индивидуального парашюта, а не внутри спускаемого аппарата. В свою очередь Тихонравов считал наиболее перспективными суборбитальные полеты по пологой траектории, поскольку в этом случае перегрузки будут меньше, а время пребывания в невесомости больше. По итогам комиссия рекомендовала начать подготовку к полету человека в специальных ракетах на высоту 100 км.

В том же апреле Сергей Королев составил отдельную записку, озаглавленную «Ближайшие задачи по изучению космоса». В ней рассматривались варианты использования геофизической ракеты «Р-5А» для обеспечения полета человека в баллистической капсуле и ракетоплане.

Есть сведения, что в то же время начался первый отбор в отряд космонавтов: Яздовский и другие медики просматривали личные дела летчиков-испытателей, пытаясь выработать критерии, по которым можно будет оценивать будущих покорителей межпланетного пространства. Делалось это в секрете даже от начальства, поскольку Главнокомандующий ВВС Главный маршал авиации Павел Федорович Жигарев довольно пренебрежительно отзывался о деятельности группы Яздовского и не поощрял запуски «ракетных собак».

Однако ракете «Р-5» так и не суждено было стать пилотируемой – куда более перспективными оказались работы над ракетами, собранными по так называемой пакетной схеме.