Увеличились и массогабаритные характеристики ракеты, ставшие сопоставимыми с масштабом центрального блока созданного позже широко известного носителя «Восток». Длина Р-3 достигла 27,4 м, диаметр корпуса — 2,8 м, стартовый вес приблизился к 70 т.

Пятикратное увеличение дальности и двукратный рост веса головной части исключали возможность не только дальнейшей модернизации элементов конструкции «Фау-2», но и решения поставленной задачи очередным воспроизведением немецкого прототипа, пусть и в сильно укрупненном масштабе.

При росте массогабаритных характеристик ракеты проявилась неуместность ставшей привычной аэродинамической схемы «Фау-2» с размашистыми стабилизаторами. Военные категорически отказались бы от ракеты со стабилизаторами, не вписывающимися в габариты, допустимые при железнодорожной перевозке. Кроме того, развитое хвостовое оперение само по себе весило немало и, создавая большие нагрузки, утяжеляло конструкцию корпуса.

Поэтому в эскизном проекте ракеты Р-3 предусматривался переход на бесстабилизаторную схему. При этом центр приложения аэродинамические сил оказывался впереди центра масс, что грозило опрокидыванием изделия. Для статически неустойчивой ракеты организованный полет мог обеспечиваться только напряженной работой органов управления — газовых и аэродинамических рулей, своевременно отклоняемых по командам бортовой аппаратуры.

В конце 1940-х гг. все это было лишь результатами теоретических изысканий, которые не вполне убедили военных. При защите проекта Р-3 в декабре 1949 г. было решено для практической проверки новой схемы разработать и испытать в октябре 1951 г. экспериментальную ракету Р-3А, созданную на базе ракеты Р-2. Помимо реализации бесстабилизаторной схемы, в Р-3А предполагались и другие усовершенствования по сравнению с Р-2. Двигателисты обещали поднять тягу с 37 до 40 т, увеличив при этом удельный импульс с 206 до 210 кг×с/кг. Кроме того, была подтверждена возможность разместить на ракете больше топлива, утяжелив ее с 20,3 до 23,4 т, и за счет всех этих мероприятий увеличить дальность с 600 до 935 км.

При разработке эскизного проекта Р-3А в 1951 г. выяснилось, что путем внедрения дополнительных мероприятий, а именно — облегчения головной части примерно на 100 кг, увеличения запаса топлива на 2,55 т и удлинения изделия до 21,3 м, можно создать не экспериментальную, а вполне пригодную для боевого применения ракету с дальностью 1200 км.

Считается, что сами конструкторы ракеты Р-3 поставили под сомнение целесообразность ее дальнейшей разработки. К этому времени уже сформировался «лагерь социализма», и при размещении на территории восточноевропейских союзных стран и ГДР ракеты Р-3 могли поражать большинство важнейших целей в Европе, но для действий против главного вероятного противника — США — их дальности явно не хватало. Однако готовых решений задачи по созданию межконтинентальной ракеты еще не было. Поэтому предлагалось параллельно с поисковыми проработками по МБР как можно быстрее, не отвлекаясь на работы по Р-3, создать ракету средней дальности — Р-5. С.П. Королев представил свои предложения по новой ракете в Министерство вооружения 20 октября 1951 г., а уже в ноябре был завершен выпуск эскизного проекта этого изделия.

На самом деле, вся история с отказом от дальнейшей разработки Р-3 носила не столь благостный характер и определялась не только внезапно выявившимися соображениями высшей государственной целесообразности. В.П. Глушко не смог справиться с мощными колебаниями, разрушавшими новый двигатель РД-110. С рядом проблем столкнулся и С.П. Королев. (По этому поводу смотри статью, прим. ВВС)

Опытно-конструкторская разработка ракеты Р-5 была задана постановлением правительства от 13 февраля 1952 г. Как и в случае с Р-1 и Р-2, во главе кооперации разработчиков поставили НИИ-88, главным конструктором определили С.П. Королева, в те годы — всего лишь начальника входившего в этот институт ОКБ-1. Как и раньше, за создание двигателя отвечал В.П. Глушко, возглавлявший ОКБ-456. Автономную гироскопическую и радиотехническую аппаратуры системы управления разрабатывали, соответственно, НА. Пилюгин и М.С Рязанский из НИИ-885. За наземное оборудование отвечал В.П. Бармин из ГСКБ «Спецмаш».

Созданием ракеты Р-5 (изделие 8А62) завершился процесс модернизации «Фау-2», начатый разработкой Р-2. На Р-5 баки как окислителя, так и горючего — 92% этилового (вполне безвредного в разумных дозах!) спирта — выполнили по несущей схеме. Баки изготавливались аргонно-дуговой сваркой, в основном автоматической. В заборных устройствах баков поставили воронкогасители, что обеспечило сокращение невырабатываемых остатков топлива на 100 кг.

За баками в цилиндрическом отсеке располагалась большая часть бортовых приборов системы управления. Только гироприборы и интеграторы разместили в межбаковом отсеке, что позволило снизить влияние изгибных колебаний корпуса ракеты и заодно вообще удалить эту аппаратуру подальше от двигателя — источника мощных вибраций. Для обеспечения приемлемой точности при вдвое увеличенной по сравнению с Р-2 дальности, помимо гироскопических приборов автономного управления полетом, в состав системы управления включили аппаратуру радиоуправления дальностью и боковой радиокоррекции.

В новой модификации двигателя — РД-103 (изделие 8Д54) исходную немецкую конструкцию предельно форсировали по тяге, доведя ее до 43 т в наземных условиях. От вытеснительной подачи перекиси водорода перешли к насосной, для чего в турбонасосном агрегате ввели третий насосный контур. Это позволило снизить давление в баке перекиси с 50 до 3,5 кг/см².

Впервые на Р-5 хвостовой отсек изготовили цилиндрическим, а не сужающимся, выполнив его не из стали, а из алюминиевого сплава Д-16. На торце отсека разместили основные разъемы кабельных связей с наземным оборудованием. К хвостовому отсеку крепился вновь введенный сопловой насадок двигателя, выполненный из стали с покрытием внутренней поверхности графитовыми плитками, зафиксированными на силовом корпусе насадка через прокладки из асбокартона. Наряду с другими мероприятиями использование насадка увеличило удельный импульс с 237 до 254 кг×с/кг. Газоструйным графитовым рулям придали стреловидную форму, что на треть уменьшило соответствующие потери тяги и удельного импульса.