Комплекс П-20 (главный конструктор С.В. Ильюшин) предназначался для поражения наземных объектов специальными (ядерными) боевыми зарядами. Самолет- снаряд хранился со сложенными консолями крыла на специальной тележке в прочном водонепроницаемом контейнере (21 х 4,6 м). Контейнер располагался горизонтально в надстройке за ограждением рубки и имел откидывающуюся на борт крышку. Перед пуском, после открытия крышки, самолет-снаряд на тележке выводился из контейнера на поворотный лафет, на котором затем закреплялся с помощью стопорного устройства, после чего лафет поднимался на стартовый угол 16°. Пуск самолета-снаряда осуществлялся с помощью двух стартовых пороховых ускорителей, расположенных под консолями высоко расположенного крыла. Стартовые ускорители разгоняли его до скорости, обеспечивающей устойчивую работу маршевого ПВРД. Полет самолета-снаряда под маршевым двигателем должен был происходить на высоте порядка 30 км.
После пуска все операции выполнялись в обратном порядке: лафет переводился в горизонтальное положение и вместе с тележкой вкатывался в ракетный контейнер. Все операции предстартовой подготовки были механизированы, а также автоматизированы и выполнялись при помощи дистанционно управляемых приводов. Расчетное время пребывания АПЛ в надводном положении при стрельбе составляло 6,5 м. Аппаратура повседневного обслуживания и предстартовой подготовки, а также навигационный комплекс с астронавигационной системой размещались в ЦП корабля. В связи с этим часть его оборудования (например, ПУТС) перенесли в два носовых отсека. Для обеспечения необходимой остойчивости при погружении и всплытии, замещения массы самолета-снаряда (около 20 т) и замещения солености морской воды вдоль ракетного контейнера располагались две цилиндрические цистерны суммарной емкостью 60 м3 . Для обеспечения остойчивости в надводном положении предусматривалось 205 т твердого балласта. С целью улучшения управляемости на лодке была увеличена площадь кормовых горизонтальных и вертикальных рулей, при сохранении прежней мощности прессов. Во всем остальном корабль повторял АПЛ пр. 627А.
Работы СКВ-143 над АПЛ пр. 653 начались в июне 1958 г. Изначально они предполагали переоборудование серийной АПЛ пр. 627А с минимальными изменениями в конструкции корпуса систем и механизмов. Однако опыт проектирования опытной лодки П-627А показал бесперспективность такого подхода. Поэтому в конце 1958 г. 1-й ЦНИИ МО представил ТТЗ на разработку принципиально новой АПЛ, которое в январе 1959 г. было утверждено (по представлению министра обороны) соответствующим постановлением Правительства.
