Одной из наиболее серьезных проблем была защита корабля от перегрева при входе в плотные слои атмосферы. Существующие конструкционные материалы таких температур не выдерживали. Поэтому проектанты решили использовать тот же принцип, что и для головных частей «Р-5» и «Р-7»: на спускаемый аппарат наносится асботекстолит, который испаряется в потоке набегающего воздуха, поглощая избыточное тепло.

Сначала проектанты и не думали о разделяемом корабле, собираясь возвращать его на Землю целиком. Только вот изготовить весь корабль в виде шара не позволяли габариты ракеты, поэтому в конце концов его поделили на две части: сферический спускаемый аппарат, в котором находился пилот, и приборный отсек, сгоравший после разделения в атмосфере.

Чтобы не усложнять конструкцию корабля системой мягкой посадки, было решено катапультировать пилота из спускаемого аппарата на высоте нескольких километров. Такая схема давала дополнительный плюс – катапультирование можно использовать при аварии ракеты на начальном участке выведения.

Первоначальный облик будущего космического корабля определился. Константин Феоктистов подготовил доклад для главного конструктора и представил его в июне 1958 года. Королёв поддержал новую компоновку и поручил в течение двух месяцев написать официальный отчет по проекту «Объект Д-2» (так в его бюро назывался космический корабль для орбитального полета).

В середине августа отчет под названием «Материалы предварительной проработки вопроса о создании спутника Земли с человеком на борту» был выпущен. В нем указывалось, что с помощью трехступенчатой ракеты-носителя на орбиту искусственного спутника Земли можно вывести корабль массой до 5,5 т. Там же были приведены расчеты в обоснование выбора формы спускаемого аппарата. 15 сентября 1958 года Сергей Королёв подписал окончательный отчет по кораблю-спутнику, а на следующий день направил письма в Академию наук СССР, руководителям ракетной отрасли и Совету главных конструкторов с уведомлением о завершении исследований, позволяющих приступить к разработке «пилотируемого спутника Земли».

На Совете главных конструкторов, состоявшемся в ноябре 1958 года, были заслушаны три доклада: о проекте автоматического спутника-фоторазведчика, о проекте аппарата для полета человека по баллистической траектории и о проекте пилотируемого орбитального аппарата. После обсуждения из двух последних проектов был выбран именно пилотируемый орбитальный. Ему же конструкторы дали наибольший приоритет по сравнению с фоторазведчиком, хотя Министерство обороны настаивало на обратном.

Чтобы ускорить процесс подготовки чертежей, Сергей Павлович приказал расформировать группы, трудившиеся в ОКБ-1 над различными системами корабля, и объединить специалистов в новообразованном секторе, который возглавил Константин Феоктистов. Ведущим конструктором корабля, получившего название «Восток», стал Олег Генрихович Ивановский, до того участвовавший в создании спутников и «лунников».

Работа над кораблем требовала широкой кооперации с привлечением смежников. Ведь для пилотируемого космического полета нужно было сконструировать и систему жизнеобеспечения, и систему голосовой связи, и телевизионный комплекс, и пульт ручного управления, и парашюты, и многое другое. Инициативы одного бюро тут явно недостаточно – необходимо было получить правительственное постановление. Поэтому Королёву на новом этапе было важно, чтобы его поддержали не только соратники по Совету и члены Академии, но и высокопоставленные военные, от которых напрямую зависело финансирование перспективных проектов. Сергей Павлович проявил политическую гибкость – в начале 1959 года он предложил унифицировать системы пилотируемого корабля и спутника-фоторазведчика. На таком спутнике предлагалось установить сложное и дорогое фотооборудование, которое можно было бы использовать многократно. Напрашивался вариант – разместить это фотооборудование в спускаемом аппарате вместо пилота и возвращать на Землю вместе с отснятыми пленками. Разумеется, это требовало полной автоматизации корабля, что Королёва вполне устраивало – в пилотируемых полетах он хотел свести влияние человеческого фактора к минимуму. Фоторазведчик был принят в разработку под названием «Восток-2». Во избежание путаницы позднее его переименовали в «Зенит-2».

Тем не менее военные требовали, чтобы работа над фоторазведчиком была приоритетной. В проекте постановления правительства, который обсуждался в феврале 1959 года, фигурировал только этот космический аппарат. Королёв через Мстислава Келдыша добился включения в текст постановления фразы о пилотируемом корабле-спутнике.

Получается, корабль появился раньше, чем решение правительства по нему. Первые комплекты чертежей были переданы в цеха Опытного завода в Подлипках-Калининграде в начале весны, тогда же началось изготовление корпусов, а Постановление ЦК КПСС и Совета министров № 569-264сс «О создании объектов “Восток” для осуществления полета человека в космос и других целей» вышло только 22 мая 1959 года.

Космический корабль «Восток» был именно спутником, то есть в принципе не мог менять высоту и наклонение орбиты. Ее параметры задавались запуском и радиоуправлением на этапе выведения, как у «лунников». Поэтому все эволюции сводились к одному, но очень важному маневру – торможению в космосе и снижению в атмосфере. Для осуществления этого маневра в приборном отсеке размещалась тормозная двигательная установка, которая должна была сработать безотказно.

Обращаться к главному двигателисту Валентину Глушко с учетом его высокой занятости над двигателями для боевых ракет Сергей Королёв не захотел, а потому пригласил к работе над проектом тормозной установки «ТДУ-1» главного конструктора расположенного поблизости от «фирмы» ОКБ-2 Алексея Михайловича Исаева. Старый ракетчик не горел большим желанием брать на себя еще одну работу, но в конце концов согласился. И всего лишь через семь месяцев после выдачи технического задания, 27 сентября 1959 года, было проведено первое испытание «ТДУ-1» на стенде. Однокамерная установка работала на самовоспламеняющемся топливе и была основана на простых физических принципах. За счет этого она ни разу не подвела.

Сергей Королёв требовал многократно продублировать все системы «Востока», но вторая «ТДУ-1» никак не вписывалась в компоновку. Поэтому главный конструктор распорядился, чтобы баллистики из расчетного бюро подбирали такую орбиту, которая в случае отказа тормозной установки обеспечивала бы сход корабля за счет естественного торможения в высших слоях атмосферы в течение пяти-семи дней после запуска.

Системой управления корабля, получившей неофициальное название «Чайка», должен был заниматься главный конструктор Николай Алексеевич Пилюгин, но и он был чрезвычайно загружен работой по основному ракетному направлению. В результате Королёв решил создавать такой комплекс силами ОКБ-1, возложив ответственность за это на своего заместителя Бориса Евсеевича Чертока. Конструирование системы ориентации, являющейся частью комплекса управления, возглавил Борис Викторович Раушенбах, которого Королёв переманил в свою «фирму» вместе с коллективом.

Чтобы торможение корабля на орбите не обернулось ускорением, он должен быть правильно ориентирован в пространстве. Для этого на «Востоке» были реализованы две схемы ориентации. Автоматическая ориентация запускалась либо по команде с Земли, либо бортовым программно-временным устройством «Гранит» (в случае отказа устройства – пилотом). Для надежности она содержала два независимых контура управления: основной и резервный. Основной контур должен был обеспечить трехосную ориентацию с помощью инфракрасной вертикали. Она была придумана и создана в Центральном конструкторском бюро «Геофизика» для ориентации научных спутников. Прибор различал границу между «теплой» Землей по всей ее окружности и «холодным» космосом. Инфракрасная вертикаль считалась надежной, поскольку с успехом прошла натурные испытания на ракетах «Р-5А» в августе-сентябре 1958 года.