Пока в Америке шли горячие дебаты, в КБ Янгеля закончили первый эскизный проект двухступенчатой Р-16. Он представлял собой усеченный конус с диаметром основания 3,84 м и диаметром у вершины 1,7 м. Стартовый вес – 135 тонн. На ракету планировали установить двигатели серии СЗ, разработки конструктора Севрука из конструкторского бюро №3.
После выхода правительственного постановления о начале разработки Р-16 этот эскизный проект был полностью пересмотрен. Корпус ракеты стал обычным цилиндрическим. При этом расчетный стартовый вес нового изделия вырос на 15 тонн, но изготавливать такой корпус было проще. Для ускорения работы над проектом конструкторы пользовались готовыми техническим решениями, отработанными в ходе проектирования ракеты средней дальности Р-14.
Разработку двигателей перепоручили ОКБ-456, которое возглавлял В.П. Глушко. Он в достаточно сжатые сроки переработал конструкцию двухкамерного ЖРД 8Д513 и на его базе создал целое семейство двигателей: двухкамерный – 8Д713, четырехкамерный – 8Д514 и шестикамерный – 8Д712. Рулевые двигатели разрабатывало конструкторское бюро при Днепропетровском заводе, под руководством И.И. Иванова.
Важным отличием ракеты Р-16 от Р-7 стала ее полностью автономная система управления. Королевская ракета управлялась при помощи радиокоманд, которые передавались на борт из двух наземных пунктов, разнесенных на расстояние 500 км друг от друга и вынесенных на 276 км от стартовой позиции. Эти пункты должны были находиться на одной линии, перпендикулярной направлению стрельбы. Радиолокационные дальномеры, находящиеся на каждом пункте измеряли дальность до ракеты. На основе этих данных вычислялось боковое отклонение от заданной траектории и на борт Р-7 посылались соответствующие команды на поворот рулевых двигателей. Команда на выключение двигателей, при достижении заданной дальности, так же вырабатывалась на земле и с одного из пунктов пересылалась на ракету.
Подобная система была громоздкой, не мобильной и легко выводилась из строя постановкой активных помех. Кроме того, она не могла одновременно управлять несколькими ракетами во время группового старта. Для боевой ракеты массового развертывания такая система не годилась.
Независимую от земли, чисто инерциальную систему, Янгель предложил делать Н.А. Пилюгину, который уже разработал подобную систему для ракеты Р-12, но под влиянием Королева Пилюгин отказался от этой работы. Тогда Янгелю пришлось организовывать новое КБ на базе лаборатории Московского НИИ прикладной механики в Харькове. 11 апреля 1959 г. постановлением Совета министров такое КБ под номером 692 было сформировано и его руководителем назначили Б.М. Коноплева. В дальнейшем Харьковское ОКБ-692 трансформировалось в известный «Хартрон».
