Благодаря внесенным усовершенствованиям ракета «Р-2» могла доставить на космическую высоту не только блок оборудования (как «V-2» или «Р-1»), но и герметичную капсулу с человеком внутри. Так, поздняя модификация «Р-2А» поднимала головную часть массой 860 кг на высоту 200 км, а шарообразная герметичная гондола знаменитого стратостата «СССР», рассчитанная на трех стратонавтов, весила всего-то 280 кг. При этом система отделения головной части позволяла осуществить эвакуацию гондолы на любом участке траектории. Такой вариант был вполне реален, но Королев всерьез не рассматривал его – прежде всего «Р-2» должна была стать оружием.

К исходу 1949 года рамки отдела № 3 НИИ-88 стали тесны для быстро растущего конструкторского коллектива под руководством Сергея Королева, и 30 апреля 1950 года вышел приказ о преобразовании его «фирмы» в Особое конструкторское бюро № 1 (ОКБ-1) по разработке ракет дальнего действия.

Тем временем на передний план вышла тема создания мощной межконтинентальной ракеты, способной донести атомный заряд до США. Однако необходима была и ракета, поражающая цели в оперативной глубине обороны противника. Такой ракетой стала одноступенчатое «изделие», получившее обозначение «Р-5». Она должна была иметь дальность полета, вдвое превышающую дальность предыдущего серийного изделия. И именно «Р-5» Сергей Королев всерьез рассматривал в качестве носителя для полета человека на околоземную орбиту.

В марте 1947 года Сергей Королев принял важное решение – делать боеголовку ракет самостоятельным объектом, который отделяется от основной ракеты и по баллистической кривой добирается до цели. 25 апреля, выступая на пленарном заседании ученого совета НИИ-88, главный конструктор заявил:

«На следующих машинах мы столкнемся и уже столкнулись с гораздо большими трудностями, связанными с использованной схемой. По поводу нагрузок и возможного разрушения ракеты в полете можно отметить, что в работах Циолковского есть предложения по составной ракете. Я думаю, что будет дальнейшее развитие идеи Циолковского. Мы работаем сейчас над машинами, скорость которых сравнима с космическими скоростями, и я могу сказать, что наш следующий этап работ требует какой-то составной схемы. В случае успеха такую схему можно будет применить для этой машины и увеличить ее дальность…»

Сначала инженерам казалось, что в «составной» схеме нет ничего сложного: двигатель выключается, головка отбрасывается пружиной или отстреливается пиропатроном. Но почти сразу проявились трудности: пока двигатель работает, головку не отделишь, двигатель как бы подпирает к ней снизу корпус ракеты; а после выключения двигателя отделять головку невыгодно, ведь ракета уже неуправляема, и головка может отклониться от курса. Отделять поэтому надо точно в момент выключения двигателя. Но в том-то и дело, что этого момента не существует! После отсечки топлива догорание в камере продолжается, тяга стремительно уменьшается, но совсем исчезает лишь через семь-десять секунд. Необходима математическая модель, но ее пока нет и, скорее всего, в ближайшее время не появится, потому что очень сложно описать формулами процесс догорания остатков топлива.

Сергей Королев, по своей привычке, решил не дожидаться появления теоретических соображений, а провести опытные отстрелы головки на «Р-1» – ко времени, когда начнутся испытания новой ракеты «Р-2», все вопросы будут решены. Так появилась ракета «Р-1А» – «единичка» с отделяющимся боевым зарядом или «Аннушка», как ласково окрестили ее на полигоне.

Отделяющаяся головная часть была нужна Королеву для ракеты «Р-2», но оказалось, что в ее испытаниях заинтересованы и кабинетные ученые, и в 1947 году началась дружба Сергея Павловича с академической наукой, что тоже было неизбежно. Ведь изучать атмосферу и космическое пространство должны были ученые, а не военные, думающие лишь о том, как побыстрее создать средство доставки ядерного заряда до городов потенциального противника. Фактически Королев вернулся к реализации своей главной мечты. Тяжелая и страшная эпоха заставила его заниматься военными ракетами, но идея полетов в космос, на Луну и Марс была жива, посему возвращение Королева в науку было предопределено.

Осенью 1947 года маленькая экспедиция физиков приехала на полигон Капустин Яр. Они выкопали и оборудовали «академическую» землянку, в которой аппаратура готовилась к полету. Первый старт ракеты «V-2» с научным оборудованием состоялся 2 ноября 1947 года и прошел успешно: ракета отклонилась всего лишь на 5 км от расчетной траектории. Сигналы регистрирующей аппаратуры «ФИАН» были приняты, раскодированы и проанализированы.

На следующий день, правда, случилась неприятность: стандартная «V-2», запущенная в рамках военных испытаний, ушла влево и стала вращаться вокруг продольной оси, потом у нее оборвались стабилизаторы, и ракета, воспламенившись, упала плашмя на землю. На расследование происшествие ушло время, поэтому второй полет «V-2» с аппаратурой «ФИАН» состоялся только 13 ноября, но вновь оказался успешен: ракета отклонилась от траектории на 80 м.

Круг интересов физиков тем временем расширялся, и, узнав о проекте ракеты «Р-1А» с отделяющейся головной частью, они пришли в восторг: теперь можно было точно измерить газовый состав и температуру верхних слоев атмосферы, не опасаясь «помехи» от выбросов продуктов горения.

Для проведения работ было выделено восемь трофейных ракет, которые полностью перебрали и произвели необходимые замены, в частности установили хвостовые отсеки собственной конструкции, а также механизм для отделения головной части. В итоге при том же диаметре корпуса ракета «Р-1А» стала на метр длиннее исходной «V-2».

Непосредственная подготовка ракеты «Р-1А» к летным испытаниям началась в январе 1949 года на временной испытательной площадке НИИ-88 в близлежащем лесу и закончилась 11 февраля. И 7 мая на полигоне Капустин Яр состоялся первый старт «Аннушки». После запуска возбужденный Королев тут же потребовал самолет и полетел в район цели, с воздуха увидел две воронки, уговорил летчиков посадить «Ли-2» и самолично осмотрел места падения ракеты и отделяемой головки. На следующий день он писал домой:

«Вчера был наш первый концерт, прошедший с весьма большим успехом. Это очень приятно и, надеюсь, знаменует успешное осуществление в жизни одного из очень важных этапов нашей работы».

Научные исследования проводились на «Аннушках» в течение семи лет – ракета оказалось очень удобной. С каждым годом они привлекали все больше экспериментаторов, особенно ищущую молодежь. Сергей Королев был очень доволен и самими запусками, и новыми задачами. С военными он связывал ближнюю перспективу, с учеными – дальнюю. И не ошибся.

После успешных испытаний ракет «Р-1А» по приказу Королева было составлено «Техническое задание на проведение работ по исследованию высоких слоев атмосферы», которое Сергей Павлович утвердил 28 августа 1950 года. В нем Королев сделал следующий логический шаг к пилотируемой космонавтике – он заявил о своей готовности начать медико-биологические эксперименты по изучению влияния больших (космических!) высот на живые организмы.