Максимальная глубина погружения АПЛ проекта 627 по сравнению с тогдашними отечественными и зарубежными дизель-электрическими подводными лодками возрастала в полтора раза (до 300 м). Это потребовало создания новой стали для прочного корпуса, разработку которой поручили ЦНИИ-48 Министерства судостроения (директор Г.И. Копырин). Новый сплав АК-25 был создан на основе одной из марок броневой стали.
Автономность подводного плавания АПЛ проекта 627 должна была составить 50-60 суток, что предъявляло новые, значительно более высокие требования к системе жизнеобеспечения корабля.
Проект первого советского атомохода создался на основе наиболее крупной отечественной дизель-электрической подводной лодки (ДЭПЛ) проекта 611. Было решено сохранить принципиальную компоновку этого корабля, использовав ряд элементов конструкции и бортовых систем.
Полномасштабная разработка опытной АПЛ 627-го проекта, получившей шифр «Кит», была весной 1953 года передана ленинградскому СКБ- 143 (позже известному как ПКБ «Малахит»), главным конструктором которого был назначен В.Н.Перегудов, что обеспечило необходимую преемственность работ. Коллектив ПКБ уже имел опыт разработки подводных лодок с «нетрадиционными» энергетическими установками. В частности, в 1948- 1953 гг. там была создана лодка проекта 617 с парогазотурбинной силовой установкой.
Велись работы и по созданию «главного калибра» корабля – торпеды Т-15. Однако испытания ядерной боевой части для торпеды, проводившиеся на Семипалатинском полигоне, закончились полной неудачей.
В мае 1954 г. завершились работы над техническим проектом АПЛ, а в июле к участию в программе, наконец, были привлечены военно-морские специалисты. Их заключение по проекту новой лодки было далеко не благоприятным: была отмечена проблематичность использования корабля по своему основному назначению – нанесению ядерных ударов по прибрежным объектам на территории потенциального противника. Кроме того, указывалось на недостаточную скорость полного хода, слабое торпедное вооружение, высокую шумность, низкие ресурс и ремонтопригодность, другие недостатки.
АПЛ проекта 627
Это привело к внесению в проект ряда радикальных изменений: АПЛ лишилась «суперторпеды» Т-15, получив взамен усиленное обычное торпедное вооружение. В результате потребовалась почти полная переделка носовой части корпуса до второго отсека включительно. Повышалась максимальная подводная скорость корабля. Подводная лодка была переориентирована на борьбу с боевыми кораблями и транспортами противника. Компоновка помещений лодки (впервые в отечественном подводном кораблестроении) отрабатывалась на специальных деревянных натурных макетах, выполнявшихся для всех отсеков АПЛ.
О масштабах работ по созданию первой отечественной атомной подводной лодки говорит тот факт, что к участию в программе было привлечено 135 предприятий и организаций, расположенных, практически, на всей территории СССР, в том числе 20 КБ и около 80 заводов-поставщиков различного оборудования.
К разработке рабочих чертежей АПЛ проекта 627 приступили в марте 1954 г., еще до окончательного утверждения технического проекта, а в июне 1954 г. на заводе №402 в г. Молотовске (ныне Северное машиностроительное предприятие в г. Северодвинске) в обстановке чрезвычайной секретности, в специально отгороженном участке эллинга начались работы по постройке первого отечественного подводного атомохода.
Торжественная церемония официальной закладки лодки состоялась 24 сентября 1955 г., 9 августа 1957 г. АПЛ была спущена на воду, а 14 сентября 1957 г. была произведена загрузка ядерных реакторов.
Подготовка моряков-подводников для первого отечественного атомохода (а также для последующих атомных подводных лодок 1-го поколения) велась на натурном стенде, сооруженном в г.Обнинске. Первым командиром АПЛ был назначен капитан 1 ранга Л.Г. Осипенко, а командиром электромеханической части, в ведении которого находилась и атомная энергетическая установка, стал инженер- капитан 2 ранга Б. П. Акулов.
С 3 июля лодка, получившая тактический номер К-3, вышла на ходовые испытания, проходившие в Белом море. 4 июля 1958 г. в 10 часов 3 минуты впервые в истории отечественного флота для движения корабля была использована атомная энергия.
Испытания завершились 1 декабря 1958 г. В ходе них мощность энергетической установки была ограничена 60% от номинальной. При этом была достигнута скорость 23,3 узла, что на 3 узла превысило расчетную величину. За успешное освоение новой техники, впервые после окончания Великой Отечественной войны, командиру К-3 Л.Г.Осипенко было присвоено звание Героя Советского Союза. В настоящее время его имя присвоено учебному центру по подготовке экипажей АПЛ в г.Обнинске.
В январе 1959 г. К-3 была передана ВМФ для опытной эксплуатации, которая завершилась в 1962 г., после чего АПЛ стала «полноценным» боевым кораблем Северного флота.
Двухкорпусная лодка с корпусом большого, почти «торпедного» удлинения (13,3) имела почти круглое поперечное сечение. Носовой оконечности была придана эллипсовидная форма, а корма имела «плоские» обводы, обусловленные двухвальной компоновкой.