13 мая 1959 года специальным совместным постановлением ЦК КПСС и Правительства коллективу ОКБ-586 (КБ «Южное») академика М.К. Янгеля поручили разработать межконтинентальную ракету на высококипящих компонентах топлива. Впоследствии она получила обозначение 8К64 . Необходимость разработки этой ракеты определялась низкими тактико-техническими и эксплуатационными характеристиками первой советской МБР Р-7.

Ввиду обострения международной обстановки правительство СССР обязывает ОКБ-586 ускорить разработку комплекса Р-16, выйти на летные испытания в конце 1960 г., начать серийное изготовление ракет с 1962 г. Чтобы уложиться в такие крайне сжатые сроки конструкторские коллективы пошли по пути широкого использования наработок по ракетам 8К63 и 8К65. Первоначально 8К64 предполагалось запускать только с наземных пусковых установок.

Для разработки системы управления ракеты в г. Харькове было образовано ОКБ-692. Для отработки камер сгорания и газогенераторов рулевых двигателей и систем питания маршевых двигателей на испытательной базе ОКБ-586 был построен комплекс стендов и монтажно-испытательный корпус. Для двигательного КБ ОКБ-586 был сооружен лабораторно-испытательный корпус со стендами для отработки турбонасосных агрегатов. На территории 5 НИИП для ОКБ-586 были выделены площадки, на которых началось строительство стартовой позиции ракеты 8К64, монтажно-испытательного корпуса и жилой зоны. Разработка стартового оборудования была возложена на Новокраматорский машиностроительный завод, а позднее к созданию шахтной пусковой установки «Шексна-В» было привлечено ЦКБ-34.

С целью объединения производственных мощностей и ускорения перехода на серийное изготовление ракет ОКБ-586 и завод №586 приняли решение передать экспериментальное производство ОКБ заводу. В августе 1960 г. начались огневые стендовые испытания ступеней ракеты в НИИ-229. При первом испытании I ступени от мощной струи разрушился отбойный лоток стенда, тем не менее пуск был успешным. Ввиду отсутствия времени на ремонт комиссия решила ограничить испытания единственным пуском и, не ремонтируя лоток, приступить к испытаниям на стенде II ступени. После трех испытаний II ступени ракета была допущена к летным испытаниям. Серийное изготовление ракет 8К64 началось в намеченный правительством срок. Кроме завода №586 ракеты изготавливал завод №166.

24 октября 1960 г. на 5 НИИП проводилась подготовка ракеты 8К64 к первому пуску по программе ЛКИ, которая закончилась катастрофой (в результате схемной ошибки в системе управления произошел несанкционированный запуск двигателей II ступени, приведший к взрыву ракеты на старте). Погибло 74 и ранено 49 человек. Среди погибших — командующий Ракетными войсками маршал М.Неделин, большая группа ведущих специалистов КБ.

В феврале 1961 г. состоялся первый успешный запуск ракеты, в феврале 1962 г. завершились пуски по программе ЛКИ с наземного старта. 1 ноября 1961 года три первых ракетных полка в г. Нижний Тагил и п. Юрья Кировской области были подготовлены к заступлению на боевое дежурство.

Начиная с мая 1960 года, проводились опытно-конструкторские работы, связанные с реализацией пуска модифицированной ракеты 8К64У из шахтной пусковой установки. В январе 1962 года на полигоне Байконур был проведен первый пуск ракеты из ШПУ. 5 февраля 1963 года началась постановка на боевое дежурство первого ракетного полка (г. Нижний Тагил), вооруженного БРК Р-16У с этими МБР, а 15 июля этого же года комплекс Р-16У был принят на вооружение РВСН.

До 1965 года было развернуто 186 пусковых установок комплексов Р-16 и Р-16У. На вооружении МБР этого типа состояли до середины 70-х годов. Последние ракеты наземных пусковых установок ликвидировали в 1977 году.

На западе ракета получила обозначение SS-7 «Saddler».

Ракета 8К64 была выполнена по схеме «тандем» с последовательным разделением ступеней. Первая ступень состояла из переходника, к которому посредством четырех разрывных болтов крепилась вторая ступень, бака окислителя, приборного отсека, бака горючего и хвостового отсека с силовым кольцом. Вторая ступень, служившая для разгона ракеты до скорости, соответствовавшей заданной дальности полета, имела аналогичную конструкцию, но была выполнена короче и в меньшем диаметре.

Топливные баки I ступени и бак «Г» II ступени — панельной конструкции, а бак «О» II ступени изготовлен из листового материала с применением химфрезерования. Для обеспечения устойчивого режима работы ЖРД все баки имели наддув.Наддув баков «Г» обеих ступеней осуществляется азотом, бака «О» II ступени — воздухом из шаровых баллонов, размещенных в приборном отсеке, а бака «О» I ступени — скоростным напором встречного потока воздуха. В качестве управляющих органов впервые использованы качающиеся камеры рулевых двигателей.

Разделение ступеней ракеты осуществляется по следующей схеме: по команде на разделение ступеней выключается основной двигатель и снижается тяга рулевого двигателя I ступени, после запуска рулевого двигателя II ступени происходит разрыв связей между ступенями и торможение корпуса I ступени тормозными ПРД. Запуск основного двигателя II ступени производится после достижения расстояния между ступенями 10–15 м. Отделение головной части производится за счет торможения корпуса II ступени тормозными ПРД после выключения основного, а затем рулевого двигателя II ступени.

На I ступени ракеты был установлен основной двигатель 8Д712, состоящий из трех двухкамерных двигателей 8Д515, унифицированных с двигателями ракеты 8К65. В качестве рулевого использовался четырехкамерный двигатель 8Д63У. На II ступени установлены основной двухкамерный двигатель 8Д713 и рулевой четырехкамерный двигатель 8Д64У. Система подачи топлива во всех двигателях — турбонасосная с питанием турбин продуктами сгорания основного топлива. Все ракетные двигатели работали на самовоспламеняющихся при контакте компонентах топлива: окислителе АК-27И и горючем — несимметричном диметилгидразине (НДМГ).

Ракета могла оснащаться двумя видами ЯБП мощностью от 3 до 6Мт. При стрельбе на максимальные дальности использовалась так называемая «легкая» ГЧ, а на промежуточную и минимальную дальности — «тяжелая» с зарядом более мощного тротилового эквивалента. ГЧ конической формы с полусферической вершиной крепилась к корпусу второй ступени с помощью трех разрывных болтов. Ее отделение осуществлялось за счет торможения второй ступени при срабатывании тормозных пороховых ракетных двигателей. От мощности головной части зависела максимальная дальность полета, колебавшаяся в пределах от 11000 до 13000 км. Наряду с совершенствованием боевых ракет в СССР продолжалось совершенствование термоядерных зарядов. Так, в ходе летных испытаний ракеты 8К64 в 1961 г. было предписано заменить заряды в головных частях ракет 8К64 и 8К65. В связи с этим в 1962 г. разработаны унифицированные ГЧ, пригодные для оснащения обеих ракет. В дальнейшем принцип внутривидовой и межвидовой унификации узлов и изделий широко применялся в различных разработках КБ «Южное».

Ракета 8К64 имела защищенную автономную инерциальную систему управления. Она включала автоматы угловой стабилизации, стабилизации центра масс, систему регулирования кажущейся скорости, систему одновременного опорожнения баков, автомат управления дальностью. В качестве чувствительного элемента СУ впервые на советских межконтинентальных ракетах была применена гиростабилизированная платформа на шарикоподшипниковом подвесе. Приборы системы управления располагались в приборных отсеках на первой и второй ступенях. При подготовке к старту ракета устанавливалась на пусковое устройство так, чтобы плоскость стабилизации находилась в плоскости стрельбы.

8К64У конструктивно почти не отличалась от 8К64. Для обеспечения старта из ШПУ была изменена автоматика работы двигательной установки первой ступени. На корпусе ракеты были сделаны площадки для установки бугелей, фиксирующих ее положение в направляющих шахтной пусковой установки. Баки горючего стали наддуваться азотом.

БРК Р-16 стал базовым при создании группировки межконтинентальных ракет РВСН. Наземный стартовый комплекс включал боевую позицию с двумя пусковыми устройствами, одним общим командным пунктом и хранилищем ракетного топлива. Пуск ракеты осуществлялся после ее установки на пусковой стол, заправки компонентами ракетного топлива и сжатыми газами, проведения операций по прицеливанию. Все эти операции занимали довольно много времени. Чтобы его сократить были введены четыре степени технической готовности, характеризовавшиеся определенным временем до возможного старта, которое было необходимо затратить для выполнения ряда операций по предстартовой подготовке и запуску ракеты. В высшей степени готовности МБР 8К64 могла стартовать через 30 минут.

8К64У была развернута в гораздо меньших количествах, так как на строительство шахтных комплексов (типа «Шексна») требовалось больше времени, чем для ввода в строй РК с наземными ПУ. На каждой стартовой позиции располагались три ШПУ, размещенные в линию на расстоянии около 100 метров друг от друга, подземный командный пункт, хранилища компонентов топлива, а также другие сооружения. Способ старта из шахты — газодинамический на собственных двигателях. На ракете установлены бугели для движения в шахте по направляющим, а также для амортизации. Защитная крыша шахты — плоская, сдвигаемая по рельсам. Ракета размещалась внутри на специальном поворотном устройстве с пристыкованными коммуникациями системы заправки. Для БРК с МБР 8К64У устанавливалось три степени боевой готовности. Время пуска из полной боевой готовности — 18 мин.

Как и все ракеты первого поколения эти МБР не могли долго находиться в заправленном состоянии. В постоянной готовности они хранились в укрытиях или шахтах с пустыми баками и требовалось значительное время для приведения их в готовность к пуску. По времени приведения в боевую готовность советские МБР уступали американским ракетам. Низкая живучесть советских ракетных комплексов практически исключала возможность нанесения ответного удара. К тому же уже в 1964 году стало ясно, что эта ракета морально устарела.

В мае 1963 г. на 5 НИИП демонстрировался групповой пуск из шахт трех ракет 8К64У (триплет) для руководителей стран социалистического содружества.

Всего было проведено 307 пусков, успешных пусков 91%.

Старт одной из ракет 8К64 в июне 1966 года наблюдал на полигоне Байконур президент Франции Ш. де Голль, находившийся в СССР с официальном визитом.