Первоначально создание УР-500 предполагалось вести, используя счетверённую связку УР-200 в качестве первой ступени… Однако проведённые расчеты и анализ, в том числе и на динамически подобном макете, показали нерациональность этой схемы. К выполнению была принята первая ступень новой разработки.
В начале сентября 1963 года В. Н. Челомей продемонстрировал Н. С. Хрущеву, посетившему космодром Байконур, ход работ по строительству «его», левой части, стартовой позиции космодрома. Техническая испытательная позиция с монтажно-испытательным корпусом (МИК) была создана здесь в 1965 году. Тогда же Никите Сергеевичу был продемонстрирован полноразмерный макет ещё двухступенчатой УР-500, установленной на макете собственного пускового стола. Здесь же был представлен масштабный макет шахтной пусковой установки боевого варианта ракеты. Габариты и заявленные возможности произвели на Хрущёва и сопровождающих его лиц сильное впечатление, но вновь заставили задуматься о стоимости представленных проектов, что несколько портило их настроение.
Межконтинентальная ракета УР-500, разработанная в ОКБ-52, возглавляемом В. Н. Челомеем, имела тактико-технические данные, значительно превышающие данные всех существовавших в то время ракет-носителей в Советском Союзе и за рубежом. Эту боевую ракету предполагалось создать как средство возмездия в случае нападения на Советский Союз вероятного противника.
Ракета УР-500 была выполнена в двухступенчатом варианте. Первая ступень ракеты состояла из центрального блока диаметром 4100 миллиметров и шести боковых блоков диаметром 1600 миллиметров, размещаемых вокруг центрального блока. Каждый боковой блок имел в своем составе двигатель с реактивной тягой 150 тонн. Вторая ступень состояла из одного блока такого же диаметра, как и центральный блок первой ступени. Ракета заправлялась на стартовом комплексе агрессивными компонентами топлива, где окислителем был азотный тетраоксид, а горючим — несимметричный диметилгидразин (НДМГ). «Стартовый вес ракеты составлял около 600 тон, а полезный груз, выводимый на орбиту полёта — 14 тонн…» [35]
16 июля 1965 года состоялся первый пуск двухступенчатой ракеты-носителя УР-500. На орбиту был выведен наиболее тяжёлый из запущенных к тому времени космических аппаратов, название которого позднее перешло и к самому носителю — тяжелый научно-исследовательский спутник «Протон-1». Три пуска УР-500 из четырёх (последний — 6 июля 1966 года) в ходе лётных испытаний прошли успешно, третий (24 марта 1966 года) был прерван из-за аварии при работе второй ступени.
«Проектные работы над конструкцией тяжёлой ракеты-носителя УР-500 вели главным образом филёвские специалисты под руководством В. Н. Бугайского — толкового и грамотного специалиста, — вспоминает Г. А. Ефремов. — Мы в Реутове в то время были заняты созданием тяжёлого спутника «Протон», выводимого этой ракетой, по наименованию которого она и получила своё название. Разрабатывалось два типа «Протонов» — первые три под двухступенчатую и четвёртый — под трехступенчатую ракету. Челомей был последовательным системщиком и создание новой ракеты без привязки её к необходимой цели считалось необоснованным. К моменту первого пуска в июле 1965 года требовалось вывести ракету на орбиту, последовательно и всесторонне испытать её, прежде чем решать более сложные задачи. По согласованию с Академией наук В. Н. Челомей решил разместить на спутнике, выводимом тяжёлой ракетой-носителем, гамма-телескоп, предназначенный для наблюдения удалённых объектов в спектре гамма-излучения. Первые три «Протона» были примерно одинаковыми аппаратами массой более 12 тонн каждый, с аппаратурой, разработанной под руководством академика С. Н. Вернова из Института ядерной физики, включавшей гамма-телескоп, сцинтилляционный телескоп и пропорциональные счётчики, измеряющие энергию падающего излучения. Эта аппаратура была разработана несколькими годами ранее, но с созданием тяжёлой ракеты-носителя впервые могла быть испытана в необходимых условиях — в космосе. Задача создания этих спутников была привязана к уже рождающейся ракете, и потому время их создания было очень ограничено. Первые три «Протона» отличались друг от друга незначительно, а вот «Протон-4», запущенный в ноябре 1968 года, имел массу уже почти в полтора раза больше при весе научной аппаратуры, увеличенном более чем в три с половиной раза. Эти спутники не имели возможности ориентирования в космосе. Для нас это была знакомая, хотя и напряжённая, как это чаще бывало, техническая работа, а вот физики были в восторге и, получив результаты, говорили о прорывном вкладе в науку в своей узкой области».
Оценивая перспективы применения УР-500, В. Н. Челомей предлагал создать для неё семейство целевых нагрузок, способных решать задачи научного, народнохозяйственного и военного характера.
Трёхступенчатый вариант ракеты УР-500К был разработан в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР от 24 апреля 1964 года.
В соответствии с постановлением № 655–268 от 3 августа 1964 года посредством этой ракеты (УР-500К) должен был быть совершён облёт Луны. Проект документа был представлен Л. В. Смирновым, С. А. Зверевым, В. Д. Калмыковым, П. В. Дементьевым, М. В. Келдышем и регламентировал «работы по исследованию Луны и космического пространства» на ближайшие сроки — до 1968 года. Постановление имело гриф «Особой важности», на первой странице штамп — «Подлежит возврату в течение 24-х часов в группу № 1 Особой части управления Делами Совета Министров СССР».
Ступени ракеты соединяются последовательно, по схеме «тандем». Отделение первой ступени происходит по «горячей» схеме, то есть двигатели второй ступени запускаются раньше начала выключения маршевых ЖРД первой ступени. Как только тяга двигателей второй ступени превысит остаточную тягу ЖРД первой ступени, происходит подрыв пироболтов, соединяющих фермы ступеней, ступени расходятся, а продукты сгорания из камер ЖРД второй ступени, воздействуя на тепловой экран, тормозят и отталкивают первую ступень. Отделение второй ступени происходит по «полугорячей» схеме.
Двигательная установка первой ступени состоит из шести автономных маршевых жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) РД-253 конструкции В. П. Глушко, расположенных симметрично вокруг центрального блока. Двигатели имеют турбонасосную систему подачи топлива с дожиганием генераторного газа. Запуск двигателей осуществляется путём прорыва пиромембран на входе в двигатель.
Третья ступень ракеты УР-500 состоит из приборного, топливного и хвостового отсеков. Двигательная установка третьей ступени РД-0212 — ЖРД конструкции С. А. Косберга. Этот двигатель состоит из маршевого однокамерного двигателя РД-0213 и четырёхкамерного рулевого двигателя РД-0214. Маршевый двигатель по устройству и работе аналогичен двигателю РД-0210 второй ступени и является его модификацией.
Для выведения полезной нагрузки на высокие, геостационарные и отлётные орбиты используется дополнительная ступень, называемая разгонным блоком, которая может быть третьей, четвёртой и даже пятой ступенью. Разгонные блоки позволяют проводить многократные включения двигательных установок. Первые разгонные блоки для PH «Протон-К» были сделаны на базе ракетного блока Д пятой ступени носителя Н-1. Разработка этого блока велась в ОКБ-1 (РКК «Энергия» имени