В специальном отсеке фюзеляжа устанавливался контейнер спец-БЧ (такое размещение получило наименование «ампулы»). Ее агрегаты помещались в двух секциях - собственно боевом с ядерным зарядом с системой термоядерного усиления и приборном, содержавшем аппаратуру автоматики с командным взрывательным устройством, инициировавшим синхронное срабатывание электродетонаторов при заданном наземном контактном подрыве или воздушном, на заданной высоте над целью. Герметическая «ампула» БЧ оборудовалась средствами термостатирования, поддерживавшими требуемую температуру и влажность для обеспечения работоспособности заряда.
Спец-БЧ оснащалась также системой предохранения и взведения, исключающей возможность случайного срабатывания и обеспечивающей подрыв лишь с соблюдением установленной процедуры. Планировалась также постройка на базе Х-20 высотной сверхзвуковой мишени М-20, однако высокая трудоемкость и стоимость изделия помешали этому. В связи с переводом предприятия на выпуск новых ракет X-22, серийное производство Х-20М в 1960 году передали на завод №86 в Таганроге, занимавшийся гидросамолетами и к этому времени малозагружен-ный основной продукцией. В 1963 году коллектив создателей комплекса К-20 был награжден Ленинской премией.
Комплекс К-20 мог применяться в навигационном и радиолокационном режимах. В первом случае целями служили исключительно объекты с заранее известным положением. Самолет-носитель выводился в расчетную точку и, после выполнения предстартовых операций, с удаления до 600 км от цели, его экипаж выполнял пуск Х-20. Ракета с выведенным на форсаж двигателем и застопоренными рулями отходила от носителя, проседая на 300-400 м. По команде автопилота на 46-й секунде рули отклонялись на кабрирование, и ракета переходила в набор высоты. С выходом на заданную опорную высоту 15000 м на 221-й секунде программное устройство переводило X-20 в горизонтальный маршевый полет, и подключался канал управления от радиометрической станции носителя, осуществлявшей наведение по курсу. Высота полета стабилизировалась статоскопом. Самолет, остававшийся на боевом курсе, за счет более чем двукратной разницы в скорости с ракетой к началу командного этапа наведения находился в 350-450 км от цели.
С выходом на расстояние 50 км до цели управление вновь переключалось на автопилот, через заданное время переводивший Х-20 в пикирование под углом 60 град. Над целью производился воздушный подрыв БЧ на заданной высоте. При ударе по заданным целям, обычно групповым и площадным, воздушный взрыв являлся более эффективным и обеспечивал значительно большую зону поражения. В то же время его мощность при подрыве на небольших высотах порядка 500-1000 м приводила к разрушению прочных объектов и наземных укрытий. Система наземного контактного подрыва служила резервной.
Возможен был также режим применения Х-20 с предварительным радиолокационным поиском цели РЛС носителя, ее захватом и последующим пуском. Он был предпочтительным по точности и надежности (все же при этом цель сразу наблюдалась на экране, и оператор мог контролировать процесс наведения), но проигрывал по дальности пуска, поскольку обнаружение целей РЛС обеспечивалось только с удаления 450-470 км. На конечном этапе наведения с переходом Х-20 в автономный режим, носитель отворачивал с боевого курса, оставаясь не ближе 250-270 км от цели. Радиус действия системы К-20 оставлял 6800-7000 км при пуске ракеты с 600-км рубежа.
Помимо стратегических целей на американском континенте, большой радиус действия системы К-20 позволял использовать ее против другого приоритетного противника - авианосных ударных и многоцелевых группировок в океане (АУГ и АМГ). Помимо их роли как важнейшей ударной силы на морских и прибрежных ТВД, корабельные группировки привлекались к обеспечению действий ракетных подлодок - новой и крайне опасной угрозы, появившейся на сцене к середине 50-х годов. Корабли осуществляли прикрытие районов их развертывания в океане, и маневрирование АМГ являлось одним из признаков выхода лодок на боевые позиции.
В 1957 - 58 гг. на Ту-95К исследовалась возможность поиска и уничтожения мобильных корабельных соединений. В ходе полетов над Баренцевым морем экипажам удавалось с помощью РЛС обнаруживать группы кораблей с расстояния 400-450 км. Обнадеживающий результат позволил сделать вывод о пригодности комплекса для борьбы с АУГ По инициативе ОКБ и ВВС летом 1960 года были организованы пуски Х-20 по корабельным целям.
Американскую АУГ изображали два крейсера, пять эсминцев и два сторожевика из состава Северного флота. Для реализации обстановки группа рассредоточивалась в море, имитируя корабельный ордер, начавший маневрирование при угрозе ядерного удара, занимая 22 км по фронту и 10 км в глубину. Атаковать их предстояло шести Ту-95К.
Поиск целей затрудняло волнение моря, дававшее блики и мерцание на экранах РЛС, автосопровождение срывалось, и вести цели приходилось вручную. Тем не менее операторам удавалось выделить в составе группы отдельные цели. Пуски выполнялись с высот 10-12 км на удалении 350-360 км от кораблей. Чтобы избежать попадания в корабли, на борту которых находился штатный экипаж, в аппаратуру ракет ввели поправку на 15 км перелет цели. Только в одном из трех пусков в августе 1960 года система сработала без замечаний, ракета на-велась на цель и была подорвана с отклонением влево 8,5 км и перелетом 4 км от центра корабельного ордера. Еще два пуска не удались из-за отказа линии управления, из-за чего ракета ушла с перелетом 300 км и была подорвана по радиокоманде, а также по причине выхода из строя самолетной РЛС.
