Продолжительное подледное плавание совершила лодка пр.627А К- 21 (В.Н.Чернавин), прошедшая в 1962 году подо льдом 1700 миль. При этом попутно отрабатывалась тактика подледного плавания, методика ориентирования в подледном пространстве, а также всплытия в полыньях.
Все это позволило постепенно приступить к привлечению лодок 627- го проекта к несению т.н. боевой службы – слежению за морскими носителями ядерного оружия потенциального противника и поддержанию постоянной готовности к нанесению по ним, в случае получения соответствующего приказа, упреждающего удара. Несение боевой службы как особый вид деятельности кораблей ВМФ начало практиковаться с 1961 года. На первом этапе для этого использовались дизель-электрические подводные лодки и надводные корабли. В 1965 году первый выход для слежения за американскими ракетоносцами и авианосцами выполнили советские АПЛ.
Впервые удачный поиск и относительно длительное слежение за «фактическим противником» – ударным авианосцем «Саратога» – осуществила в Атлантике в 1965 году К-181 (капитан 1 ранга Б.С.Борисов). Советская АПЛ в течение четырех суток сидела «на хвосте» у американского корабля.
Увеличение интенсивности боевой службы и задействование атомных подводных лодок быстро принесло свои плоды: если в 1964 году дизель- электрическими подводными лодками в ходе БС было достигнуто 16 обнаружений подводных целей, то в 1965 г., когда «на сцену» вышли атомные подводные лодки 627-го проекта, число обнаружений возросло до 42. Однако следует признать, что АПЛ первого поколения не предназначались для охоты за субмаринами противника: была велика их шумность, гидроакустическое оборудование имело относительно низкие характеристики. Поэтому контакты с американскими атомными подводными лодками имели, как правило, кратковременный характер и длительного слежения за ними установить не удавалось. В то же время следует заметить, что и американский флот, располагая к середине 1960-х годов специализированными малошумными противолодочными АПЛ типа «Трешер», также не смог обеспечить регулярное слежение за советскими ракетными атомоходами 1-го поколения, обладавшими относительно высокой шумностью.
АПЛ 627-го проекта совершили ряд дальних походов, вписав яркие страницы в историю отечественного и мирового подводного мореплавания. Эти походы имели, помимо прочего, и огромное морально-политическое значение: советский флот впервые доказал на деле, что может противостоять на равных флотам США и Великобритании. В сентябре 1963 г. АПЛ К-115 (командир капитан 2 ранга Р. Дубяга, старший похода – капитан 1 ранга В.Кичев) совместно с К-178 (проект 658М, командир капитан 2 ранга Михайловский) совершила подо льдами Северного Ледовитого океана переход на Тихоокеанский флот, пройдя за шесть суток 1600 миль. Командиру АПЛ было присвоено звание Герой Советского Союза.
В том же 1963 г. К-181 (капитан 2 ранга Ю.А.Сысоев, старший похода командующий СФ адмирал В.А.Касатонов) выполнила очередной высокоширотный поход, всплыв 29 сентября на Северном полюсе. Командиру АПЛ и старшему на походе присвоили звание Герой Советского Союза. АПЛ была награждена Орденом Красного Знамени.
Для проверки возможности использования атомоходов в южных широтах АПЛ К-133 в 1963 г. совершила поход в экваториальные районы Атлантики.
Этот опыт пригодился в 1966 году, когда К-133 (командир капитан 2 ранга Л.Н.Столяров) из состава 3-й дивизии подводных лодок Северного Флота совместно с ракетоносцем К-116 (командир капитан 2 ранга В.Виноградов) совершила «кругосветный» переход на ТОФ через Атлантический и Тихий океаны, пройдя в подводном положении за 54 суток почти 20000 миль. Руководителю перехода контр-адмиралу А.Сорокину, командирам АПЛ, командирам электромеханических БЧ капитанам 2 ранга Самсонову и Морозову, а также зам. командира по ПЧ капитану 2 ранга Усенко присвоили звание Герой Советского Союза. Подготовка к выполнению столь сложного задания была проведена в рекордно короткие сроки: в течение месяца моряками были отработаны три курсовые задачи.
В 1966 году К-14 (командир – капитан 1 ранга Д.Н.Голубев) совершила 17-суточный переход подо льдами Арктики, проложив трассу, по которой в дальнейшем осуществлялась перегонка атомоходов европейской постройки на Тихоокеанский флот. Несколько позже движение в обратном направлении освоили и «комсомольские» лодки новых проектов. Старшему на переходе командиру дивизии контр-адмиралу Игнатову и командиру АПЛ было присвоено звание Герой Советского Союза.
В 1968 году очередной подледный переход на ТОФ выполнила и К-42 (капитан 2 ранга В.И.Заморев), прошедшая под арктическими льдами совместно с К-55 (пр.658М). Этот поход отличался от предшествующих тем, что лодки несли на борту штатное ядерное оружие.
В то же время служба АПЛ проекта 627А сопровождалась не только успехами, но и трагедиями. Это было, к сожалению, неизбежной платой за освоение нового (трагедий с человеческими жертвами не избежали также ни американские, ни китайские подводники-атомники). 12 апреля 1970 г. во время крупномасштабных учений «Океан» затонупа К-8 (командир капитан 2 ранга В. Бессонов). Корабль специально не готовился к участию в этих учениях, он завершил боевую службу в Средиземном море. Пополнив запасы продовольствия и средств регенерации с надводного корабля, К-8, согласно первоначальному плану, в подводном положении прошла Гибралтарский пролив и вышла в Атлантику, где и получила 7 апреля приказ следовать в заданный район для участия в учениях. В дальнейшем корабль на связь не выходил.
8 апреля в 21.30 в Бискайском заливе, в нескольких сотнях миль от берегов Испании, на борту лодки в 3- м отсеке возник пожар, вызванный возгораниями патронов регенерации. Сработала система аварийной защиты реактора, и корабль, всплывший в надводное положение, остался практически без электроэнергии. Дизель- генераторы из-за неисправности использовать не удалось. На вторые сутки был израсходован запас воздуха, что затруднило выравнивание дифферента и поддержание плавучести. Экипаж боролся за живучесть корабля более трех суток, однако спасти К-8 не удалось. В седьмой и восьмой отсеки начала поступать забортная вода. 12 апреля в 6.18 лодка затонула на глубине 4680 м, унеся с собой жизни 52 членов экипажа. Часть людей была эвакуирована на советские суда, подошедшие к месту аварии. Командиру лодки капитану 2 ранга В. Бессонову посмертно присвоено звание Герой Советского Союза. Его именем и именем НМС (начальника медицинской службы) капитана м/с Соловья названы улицы в г. Гремиха.
Все лодки проекта 627А были выведены в резерв и списаны в 1989- 1992 гг. К-115, К-14, К-^2, К-133 и К- 181 завершили свою службу на Тихом океане, остальные – на Северном флоте.
После отказа от достройки ракетной атомной подводной лодки П-627А – носителя стратегической крылатой ракеты П-20 – была предпринята попытка переоборудовать этот корабль в опытовую подводную лодку – ПТ-627А, предназначенную для испытания новых 650-мм торпед, перспективного гидроакустического комплекса, а также отработки винтов регулируемого шага.
В 1960-1961 гг. в СКБ-143 был подготовлен сокращенный технический проект и начато рабочее проектирование. Однако в ноябре 1961 года все работы были прекращены и производственный задел по лодке был использован для постройки АПЛ проекта 627.
На первых атомных подводных лодках как в СССР, так и в США были использованы паропроизводящие установки с водоводяными реакторами. Однако в 1957 году в состав американских ВМС вошел второй опытный атомоход- «Сивульф», оснащенный реактором с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ). Применение реакторов с ЖМТ позволяло улучшить КПД энергетической установки за счет более высокой температуры теплоносителя на выходе из реактора и повышения температуры перегретого пара.
Работы над корабельным реактором аналогичного типа начались в СССР в 1955 году. 22 октября 1955 г. вышло партийно-правительственное постановление о создании опытной атомной торпедной подводной лодки проекта 645 с 2-х реакторной паропроизводящей установкой с жидкометаллическим теплоносителем (сплав свинец-висмут). Первоначально разработка АПЛ осуществлялась под руководством главного конструктора В.Н.Перегудова, в 1956 году его сменил А.К.Назаров. Главными наблюдающими от ВМФ были А.Н.Донченко и А.С.Губкин.
Тактико-техническое задание на новую лодку не выдавалось, работы были начаты непосредственно со стадии технического проекта: предполагалась, что АПЛ пр. 645 должна была отличаться от лодки 627-го проекта лишь энергетической установкой, что позволило бы с максимальной объективностью оценить достоинства ГЭУ с жидкометаллическим теплоносителем. Однако полностью этот замысел осуществить не удалось. В проект корабля вносились изменения, обусловленные опытом эксплуатации первых атомоходов, а также результатами испытаний опытной ядерной энергетической установки с жидкометаллическим теплоносителем на стенде физико-энергетического института.
Работы по техническому проекту АПЛ были закончены осенью 1956 года. Следует заметить, что при этом не ставились жесткие требования по шумности лодки и влиянию ее акустических помех на работу бортовых гидроакустических станций. В рамках проектирования были выполнены лишь расчеты критических оборотов гребных винтов и воздушного шума в отсеках корабля.
В ноябре 1957 г. были выпущены рабочие чертежи, а 15 июня 1958 г. в Северодвинске была проведена закладка опытного атомохода. Его спуск на воду состоялся 1 апреля 1962 г., а 30 октября 1963 г. АПЛ проекта 645 с тактическим номером К-27 была включена в состав ВМФ. За освоение новой техники в 1966 г. командиру АПЛ было присвоено звание Герой Советского Союза.
Как и корабли 627-го проекта, новая АПЛ предназначалась для борьбы с надводными кораблями и транспортными судами противника при действиях на океанских и удаленных морских театрах.
Прочный корпус подводной лодки был выполнен из