Официально задание ОКБ А.Н.Туполева на проектирование комплекса, включавшего беспилотный самолет "121" (Ту-121) было выдано в 1957 году. 23 сентября 1957 года вышло Постановление Совета Министров СССР по новой стратегической системе. Согласно Постановлению, головным предприятием, отвечавшим за создание всего комплекса, было утверждено ОКБ А.Н.Туполева, к работам по различным элементам комплекса привлекалось большое количество предприятий и организаций авиационной, радиоэлектронной промышленности и других смежных отраслей отечественного военно-промышленного комплекса.
Специально для "самолета 121" в двигателестроительном ОКБ С.К.Туманского (ОКБ-300) создавался новый малоресурсный турбореактивный двигатель с форсажной камерой КР-15-300 со значением длительной маршевой тяги на форсажном режиме 10000 кг. Впервые в отечественной практике для "самолета 121" разрабатывались мощные твердотопливные стартовые ускорители с тягой 75000-80000 кг. В ОКБ А.Н.Туполева была предложена оригинальная, не имевшая аналогов, схема пассивной отцепки этих ускорителей после старта от самолета. Для обеспечения эффективной работы ТРД КР-15-300, на всех режимах полета,отделом силовых установок ОКБ был спроектирован многорежимный подфю-зеляжный воздухозаборник с многоскач-ковым полуконусным центральным телом с системой слива пограничного слоя и отстреливавшимся ограничительным коллектором, оптимизировавшим работу ТРД и воздухозаборника на малых скоростях полета, а также кольцевое эжек-торное сопло. Для топливной системы были разработаны жесткие интегральные фюзеляжные баки-отсеки с надежной комбинированной системой герметизации.
На предприятиях, входивших в систему среднего машиностроения, для нового беспилотного самолета проектировалась новая компактная ядерная боевая часть. Боевая часть конструктивно выполнялась полностью интегрированной с элементами конструкции "самолета 121", что значительно уменьшало ее габариты и массу.
Система управления "самолета 121" должна была быть автономной с системой астроинерциальной коррекции на маршруте. Система астрокоррекции должна была быть аналогичной применявшейся в проектах беспилотных стратегических самолетов "Буря" ОКБ С.А. Лавочкина и "Буран" ОКБ В.М.Мясищева.
"Самолет 121" должен был выполнять длительный полет в условиях кинетического нагрева конструкции планера и при работе маршевого ТРД в течение всего полета на форсажном режиме, что создавало жесткие тепловые условия для работы самолетных систем, систем оборудования и боевой части. Исходя из условий использования в конструкции самолета традиционных конструкционных авиационных материалов, для него была задана максимальная скорость длительного полета соответствующая М-2,5-2,6. Это позволило разработать достаточно легкую конструкцию с использованием хорошо освоенных в промышленности алюминиевых сплавов, с минимальным использованием жаропрочных стальных сплавов в наиболее напряженных элементах конструкции. В ОКБ А.Н.Туполева разрабатывались общие технические принципы и решения по эффективной системе охлаждения агрегатов и оборудования, в специализированном ОКБ-124 проектировались необходимые агрегаты для системы охлаждения. В других агрегатных ОКБ проектировалось оборудование, приспособленное для работы в специфических условиях полета "самолета 121", например: в ОКБ-140 впервые в СССР создавались стартер-генераторы с водо-спиртовой испарительной системой охлаждения,ставшей вскоре стандартной для электрических генераторов сверхзвуковых самолетов.
Большая работа была проведена по созданию мобильной пусковой установки. Все работы по этой тематике в ОКБ А.Н.Туполева возглавил старейший работник ОКБ , признаный специалист в области систем авиационного вооружения А.В.Надашкевич. Необходимо было спроектировать пусковое устройство, обеспечивавшее надежный запуск беспилотного самолета в различных условиях применена системы. В качестве тягача был выбран серийный тягач МАЗ-535, использовавшийся для транспортировки ракет Р-12, Р-14 и др. Для нормального запуска КР-15-300 от бортовых стартер-генераторов пришлось в силовую установку тягача вводить электрический генератор в несколько десятков -кВт. Первоначально для пусковой установки были выбраны направляющие длиною почти в 20 м, в дальнейшем по предложению молодого инженера В.И.Близнюка, ныне Главного конструктора ОКБ по военной тематике, занимавшегося с самого начала общей компоновкой по беспилотному самолету и увязочными вопросами по комплексу, были введены направляющие длиною в 10 м. Дальнейшие испытания и эксплуатация установки подтвердили правильность многих оригинальных конструктивных решений по установке, работа над которой, проведенная совместно с другими предприятиями ВПК, стала для ОКБ А.Н.Туполева абсолютно новым направлением в его деятельности.
Параллельно с созданием "самолета 121" впервые в практике работ ОКБ А.Н.Туполева пришлось проектировать сложнейшую бортовую и наземную телеметрическую контрольно-записывающюю аппаратуру, готовить наземный испытательный комплекс и подготавливать в безлюдных районах страны полетную трассу для проведения испытаний.
