В середине 1950-х годов по настойчивым требованиям Ю.Б. Харитона была начата работа над зарядом для первой межконтинентальной баллистической ракеты Р-7 разработки ОКБ С.П. Королева. Ракета Р-7 со стартовой массой около 300 т могла доставить примерно пятитонный термоядерный боеприпас на дальность около 8000 км с точностью до 8 км.
Технический облик конструкции заряда определялся совместно с ОКБ-1, возглавляемым главным конструктором С.П. Королевым. Компоновка заряда в корпусе головной части ракеты Р-7 осуществлялась с учетом обеспечения важных и сложных условий, необходимых для того, чтобы разместить заряд в жестко ограниченном объеме и в то же время создать возможность для его срабатывания. Творческая работа двух коллективов позволила решить эти задачи. Специалисты КБ-11 в этот период совершили немало прорывов в области зарядостроения и создания боевых частей. В частности, впервые по инициативе Ю.Б. Харитона были использованы методы масштабного моделирования, когда многие характеристики проверялись на уменьшенных в 2—2,5 раза моделях. В октябре 1957 г. заряд для Р-7 мощностью 2,9 Мт был испытан на Новоземельском полигоне. Еще два года ушли на улучшение конструкции головной части ракеты и совершенствование измерительных систем, используемых при работе заряда. В ноябре 1959 г. четыре наземных комплекса первых советских межконтинентальных ракет с ядерным зарядом поступили на вооружение.
В эти годы под руководством С.Г. Кочарянца сложилась кооперация КБ-11 с ракетными организациями, в первую очередь с ОКБ-1 С.П. Королева. По инициативе КБ-11 был поставлен вопрос об автономной отработке боевого оснащения.
Даже создание ядерных боеприпасов для хорошо изученного средства доставки – самолета – потребовало большого напряжения научно-конструкторской мысли. К началу 1950-х годов задача, которая ставилась перед КБ-11 в 1946 г., была решена: атомный заряд РДС-1 создан и испытан. Теперь требовалось как можно быстрее перейти к разработке более совершенных атомных зарядов. Усилия в этом направлении предпринимались заранее. Еще летом 1948 г. по предложению И.В. Курчатова, Б.Л. Ванникова и Ю.Б. Харитона было подготовлено постановление Совета министров СССР «О дополнении плана работ КБ-11». В нем содержались задания, касавшиеся создания новых атомных зарядов РДС-3, РДС-4, РДС-5.
Принципиальные отличия РДС-2 и РДС-3 от РДС-1 состояли в схемном решении конструкции центральной части и фокусирующей системы заряда, а между собой эти заряды различались только составом ядерных материалов. Указанные особенности позволили достичь более высоких сжатий делящихся материалов, уменьшить габариты и массу зарядов. Таким образом, их размеры и масса по сравнению с РДС-1 уменьшились, а мощность увеличилась более чем в 2 раза. Заряды РДС-2 и РДС-3 были успешно испытаны 24 сентября и 18 октября 1951 г. Таким образом, в СССР впервые была успешно испытана атомная бомба как ядерный боеприпас самолета Ту-4. В октябре 1954 г. было проведено первое полигонное испытание бомбы РДС-3 с внешним импульсным нейтронным источником, позволившим повысить мощность заряда в 1,5 раза по сравнению с ранее испытанным вариантом.
Планы дальнейшего совершенствования зарядов были связаны с созданием ядерной бомбы меньших калибра и массы для реактивных бомбардировщиков Ил-28, базирующихся на аэродромах европейского театра военных действий. Разработанный в соответствии с этими требованиями заряд РДС-4 «Татьяна» прошел успешное испытание 23 августа 1953 г. на Семипалатинском полигоне. Бомба, содержащая заряд мощностью 28 кт, подвешивалась к самолету Ил-28. Мощность заряда РДС-4 была сопоставима с мощностью заряда РДС-2 при сокращении диаметра на одну треть. В дальнейшем заряд РДС-4 и его модификации использовались также в качестве боевого оснащения баллистической ракеты средней дальности Р-5М класса «земля—земля» и фронтовой крылатой ракеты (ФКР-1) с подвижным стартом.
В полигонных испытаниях 1953—1954 гг. проводились исследования, связанные с уменьшением необходимой для создания заряда массы остродефицитного плутония (на этом этапе еще не было наработано достаточного количества делящихся материалов). Полученные уникальные результаты заложили основу для дальнейших проработок и оптимизации массы плутония и энерговыделения заряда на принципе имплозии. Был разработан вариант заряда РДС-4, получивший обозначение РДС-4М. Он содержал меньшее количество делящихся материалов и, соответственно, имел меньшую мощность. Кроме бомбы с РДС-4М была разработана модификация головной части баллистической ракеты Р-5М, а также боевая часть фронтовой крылатой ракеты КС-7 на подвижной стартовой установке.
К 1957 г. на предприятиях Минсредмаша было наработано достаточно большое количество урана-235, поэтому стало возможным создание атомного заряда имплозивного типа с применением в качестве ядерного горючего только урана-235. Этот заряд был успешно испытан в сентябре 1957 г., после чего произошла передача его на вооружение в составе боевых частей.
