Вторая ступень обеспечивала разгон до скорости, соответствующей заданной дальности стрельбы. Ее топливные баки несущей конструкции имели совмещенное днище. Размещенная в хвостовом отсеке двигательная установка состояла из двухкамерного маршевого и четырехкамерного рулевого жидкостных ракетных двигателей. Маршевый ЖРД РД-219 по конструкции во многом был аналогичен двигательным блокам первой ступени. Основным отличием было то, что камеры сгорания были рассчитаны на большую степень расширения газа.
Ступени отделялись друг от друга и головной части посредством срабатывания разрывных болтов. Для исключения соударений было предусмотрено торможение отделившейся ступени за счет срабатывания тормозных пороховых двигателей.
Для Р-36 была разработана комбинированная система управления. Автономная инерциальная система обеспечивала управление ракетой на активном участке траектории и включала в себя автомат стабилизации, автомат дальности, систему СОБ, обеспечивающую одновременную выработку окислителя и горючего из баков, систему разворота ракеты после старта на назначенную цель. Система радиоуправления должна была корректировать движение ракеты в конце активного участка траектории. Однако в процессе летных испытаний стало ясно, что автономная система обеспечивает заданную точность стрельбы — круговое вероятное отклонение (КВО) около 1200 метров — и от радиосистемы отказались. Это позволило значительно снизить финансовые затраты и упростить эксплуатацию ракетного комплекса.
Р-36 оснащалась моноблочной термоядерной головной частью одного из двух типов — легкой и тяжелой. Для преодоления противоракетной обороны противника на ракете устанавливался надежный комплекс специальных средств. Кроме того, имелась система аварийного уничтожения боевого заряда, которая срабатывала при отклонении параметров движения на активном участке траектории сверх допустимых.
Вначале для Р-36 предполагалось создать три варианта стартового комплекса: наземный автоматизированный, шахтный групповой унифицированный (аналог комплекса «Шексна») и шахтный типа ОС. В 1964 году задание было скорректировано и в разработке остался только шахтный комплекс типа ОС. Особое внимание при работе над комплексом обращалось на максимальное упрощение стартовых позиций, которые разрабатывало ЦКБ-34 под руководством опытнейшего конструктора Е. Г. Рудяка. В результате проведенных исследований повысилась их надежность, была исключена из пускового цикла заправка ракет, вводились дистанционный контроль основных параметров и систем в процессе боевого дежурства, подготовки к пуску и дистанционный пуск ракеты. Шахтная пусковая установка типа ОС состояла из оголовка и вертикального ствола с нижней частью шахты. В шахте размещался пусковой стакан с направляющими и газовым отражателем. Пусковой стакан был неповоротный, так как разворот ракеты в заданную плоскость стрельбы по азимуту осуществлялся ее системой управления после выхода из шахтной пусковой установки.
При создании шахты для Р-36 в ЦКБ-34 было найдено много оригинальных решений. Ракета с установленными по бокам бугелями выходила из шахты по направляющим, расположенным внутри контейнера. На высоте 20 метров по команде от системы управления бугеля сбрасывались. Конструкция шахты и ее элементов, системы обеспечения тем-пературно-влажностного режима были продуманы до мелочей. Для длительного хранения заправленной ракеты в шахте ШПУ имела систему поддержания температуры и влажности воздуха. Для заправки применялись передвижные заправочные средства. Заправка компонентами топлива осуществлялась при постановке ракеты на боевое дежурство.
В связи с необходимостью повышения живучести отечественных МБР шахтного базирования Е. Г. Рудяк предложил создать для Р-36 новую шахтную пусковую установку с защищенностью в пять раз более высокой, чем у существующих к этому времени, за счет создания мощной пружинной амортизации.
Одной из самых сложных стала проблема обеспечения герметичности устанавливаемых на боевое дежурство ракет. На примере Р-36 можно представить объем решаемых при этом вопросов. В. Ф. Уткин, в то время заместитель генерального конструктора, вспоминал, что под компонентами топлива и их парами пять лет должны были находиться 22817 разъемных соединений различных типов — сферических, плоскопрокладочных, замковых и ниппельных. Для гарантированного обеспечения их работоспособности была составлена большая программа исследований и экспериментов с участием таких научно- исследовательских институтов, как ЦНИИмаш, Институт сварки им. Патона, Всесоюзный институт авиационного моторостроения, Всесоюзный институт легких сплавов, Институт прикладной механики Академии наук УССР, заводов ЮМЗ, Куйбышевского им. В. И. Ленина, Запорожсталь, Днепросталь, Никопольского Южнотрубного, Каменск-Уральского металлургического и др.
Для испытаний ракеты на Байконуре, в шести километрах от площадки 43 были построены стартовый комплекс (площадка 67) и пункт радиоуправления (площадка 68). Позже, в течение 1964–1965 годов, на этом полигоне было возведено еще около десяти подобных стартов.
28 сентября 1963 года состоялся первый пуск ракеты на полигоне Байконур, который завершился неудачно.
Обстоятельно о ходе испытаний ракеты вспоминал полковник Г. Л. Смысловских: «В сентябре работы были закончены, начались примерочные испытания с макетом изделия: хранилища заправочных систем заполнялись компонентами топлива из цистерн, которые подавались на площадку по железной дороге. На технической позиции была сформирована команда для испытаний ракеты Р-36, начальником команды был назначен В. А. Поливанов.
В сентябре 1963 года ракета Р-36 прошла испытания на технической позиции, была вывезена на площадку 67 и установлена на левом старте, проверена, заправлена, начались предстартовые операции.
Пуск первой ракеты Р-36 28 сентября был аварийным, о чем мы очень сожалели. Причиной аварии явились несовершенная конструкция упора контактов подъема ракеты и неправильная конструкция пускового стола.
При пуске, как и положено, запустились четыре рулевых двигателя общей тягой 28 тонн, ракета задрожала и ослабила упор контактов подъема, контакты замкнулись до запуска маршевых двигателей, прошел отбой, но рулевые двигатели работали. При низком пусковом столе между ракетой и нулевой отметкой создалась большая температура, вследствие этого прогорели патрубки подачи горючего в камеры сгорания, ракета стала разрушаться, начался большой пожар.
Вся эта картина наблюдалась из бункера, старт был разрушен, стрела установщика и тележка переломились, площадка была залита остатками ракетного топлива.
На следующий день начались работы по ликвидации последствий аварии. Необходимо было нейтрализовать площадку, убрать остатки топлива, остатки ракеты, вычистить площадку. После разбора аварии начались работы по демонтажу выведенного из строя оборудования. Необходимо было заменить установщик, пусковой стол, транспортно-установочную тележку, кабельную сеть и многие другие элементы стартового оборудования.
Виновником аварии был признан главный конструктор комплекса В. П. Петров, хотя можно было назвать и других. Выяснилось, что пусковой стол высотой 800 мм не обеспечивал отвод струи газов из камер рулевых двигателей. Конструкция упора контакта подъема, взятая с комплекса ракеты Р-16, была непригодна для ракеты Р-36. Все это было учтено, доработано и заново поставлено. Смонтировали пусковой стол новой конструкции, установщик, кабельную сеть, новые пневмо- и гидрокоммуникации, провели грузовые испытания всех систем, комплексные испытания с электрическим макетом.
Старт был готов к приему второй ракеты. Вместо В. П. Петрова, освобожденного от должности, главным конструктором был назначен В. Н. Соловьев. На комплексе работали представители КБ, которыми руководили В. Г. Сергеев, В. Н. Филиппов, А. М. Гольцман, Н. А. Кривошеий. На площадке 67 после восстановления левого старта 3 декабря 1963 года был произведен второй пуск ракеты Р-36. Пуск прошел успешно.
Третий пуск ракеты 13 декабря был аварийным, ракета сгорела на старте. Причиной аварии было преждевременное прохождение замыкания контакта подъема, маршевые двигатели не запустились. Авария была ликвидирована в сжатые сроки, и уже 16 января 1964 года был произведен четвертый, успешный, пуск ракеты.
В 1964 году была проведена целая серия пусков ракет Р-36. Две пускались на полную дальность по акватории. Пятый, седьмой, восьмой и четырнадцатый пуски были аварийными на траектории из-за выхода
