В марте 1955 года СМ СССР решил о переоборудовании ПЛ пр.613 в ПЛ радиолокационного дозора (пр.640). Разработка комплекса радиолокационного вооружения для проекта 640 поручалась ЦНИИ-49. Предэскизный проект производился ЦКБ-18 по тактико-техническому заданию, выданному Управлением судостроения ВМФ. Предэскизный проект был закончен в ноябре 1955 года и по результатам его разработки было откорректировано ТТЗ, утвержденное заместителем Главнокомандующего ВМФ Н.В.Исаченковым в январе 1956 года. В первой половине 1956 года, минуя стадию эскизного проекта, был разработан технический проект. Основным конструктором проекта 640 был Я.Е.Евграфов, его заместителем - Г.В.Соловьев.
Размещение радиолокационной станции обнаружения самолетов «Касатка» было произведено за счет снятия одной группы аккумуляторной батареи (IV отсек), запасных торпед, кормовых торпедных аппаратов, зенитной артиллерийской установки 2М-8, устройства РДП и некой перекомпоновки размещения оборудования в отсеках и надстройке. Для ПЛ радиолокационного дозора более принципиальное значение, чем обнаружение самолетов, имело своевременное и надежное оповещение противовоздушной обороны (ПВО) об найденных целях. Для этого на лодке устанавливалась доп аппаратура радиосвязи, в том числе и быстродействующая аппаратура, также командно-трансляционная установка «Нерпа» в сокращенной комплектации для связи оператора станции «Касатка» с командиром корабля и рубкой радиосвязи. По произведенным расчетам установленный состав средств связи обеспечивал надежную круглосуточную связь на расстоянии до 300 миль.
Снимаемое с ПЛ оборудование было в 1,5 раза тяжелее вновь устанавливаемого. Разница в весах составляла около 53 тонн и была возмещена жестким балластом. Новое оборудование размещалось в большей степени на высоте, превосходящей центр масс лодки. Потому для сохранения величины остойчивости в подводном положении в допустимых границах часть балласта была расположена в особом киле коробчатого сечения, установленном ниже основной полосы. Всего твердого балласта было 85 тонн. Более сложным конструктивным узлом явилось поворотное устройство антенны станции «Касатка». Это устройство должно было обеспечивать вращение с определенной скоростью антенны, имеющей большой вес и размеры, как вокруг вертикальной, так и вокруг горизонтальной оси, при стабилизации ее на качке при состоянии моря до 6-7 баллов. Вращение станции обеспечивалось электрическим приводом, а стабилизация - устройством стабилизации, работающим от автономной системы гидравлики. Все требования ТТЗ были выполнены стопроцентно и в июле 1956 года технический проект был утвержден совместным решением МСП и ВМФ.
Для переоборудования в лодку радиолокационного дозора была выделена ПЛ пр.613 С-149, зав. № 305, постройки завода «Красное Сормово». Энергетическая установка соответствовала проекту 613, кроме 2-ой группы аккумуляторной батареи и устройства РДП, которые были сняты. Выпуск рабочих чертежей фундаментов для нового оборудования и конфигурации чертежей монтажных судовых систем, связанных с переоборудованием лодки, были возложены на ЦКБ-112. А ЦКБ-18, кроме технического проекта 640, разработало рабочие чертежи поворотного устройства антенны «Касатка» и других принципно новых конструкций, также занесло нужные конфигурации в принципные схемы всех судовых систем и устройств.
Переоборудование ПЛ выполнялось на заводе «Красное Сормово» и на его сдаточной базе в Баку в 1957 году. Фабричные ходовые тесты проводились с 15 ноября по 12 декабря 1957 года на Каспийском море. Муниципальные тесты были окончены 28 февраля 1958 года и был подписан приемный акт. Переделки, которые производились при переоборудовании в главном состояли в последующем: - заместо запасных торпед в I отсеке было расположено 25 спальных мест; - увеличена радиорубка II отсека за счет ликвидации каюты командира; - на место устройства РДП устанавливалось подъемно-поворотное устройство совмещенной антенны РЛС «Накат» с ответчиком «Нихром»; - было снято подъемное устройство РЛС «Факел-МО»; - в IV отсеке заместо снятой группы аккумуляторной батареи и обслуживающих ее устройств были установлены рубка с устройствами станции «Касатка» и «Нихром», система воздушного остывания устройств этих станций, автономная система гидравлики для обеспечения стабилизации антенны, шестиместная каюта.
Поворотное устройство антенны «Касатка» располагалось в отдельной крепкой рубке, которая имела общее огораживание с боевой рубкой лодки. Камбуз был перенесен из IV отсека в VII, а трубы кормовых торпедных аппаратов были применены в качестве провизионки. Были произведены и другие более маленькие конфигурации. Повышенное внимание было уделено защите личного состава, находящегося на ходовом мостике и радиоэлектронных устройств от воздействия массивного частотного излучения станции «Касатка». С этой целью по советы ЦНИИ-49 на огораживании рубки была установлена экранная решетка из вертикально расположенных железных труб поперечником 12 мм с расстоянием меж их центрами менее 25 мм.
Высота защитной решетки не превосходила высоту козырька огораживания рубки. Муниципальные тесты проявили, что экранная решетка обеспечивает неопасное долгое пребывание личного состава на мостике при работе станции «Касатка». При всем этом обеспечивается также одновременная работа аппаратуры средств связи, штурманских устройств, средств радиолокации, кроме работы станции «Накат» в десятисантиметровом спектре, когда происходило выгорание кристаллов аппаратуры этой станции при одновременной ее работе со станцией «Касатка». Комиссия Гос приемки согласилась с отказом от десятисантиметрового спектра у станции «Накат». Скорости и дальности плавания ПЛ в часовом подводном режиме уменьшились по сопоставлению с проектом 613 из-за снятия одной группы аккумуляторной батареи, роста сопротивления подводной лодки, вызванного установкой антенны станции «Касатка», и роста поверхности огораживания рубки. Дальность плавания экономической скоростью уменьшилась по этим же причинам, также вследствие роста расхода электроэнергии из-за работы станции «Касатка».
Проведенные муниципальные тесты ПЛ С-149 проявили, что ее тактико-технические данные соответствуют спецификационным, что опытнейший эталон станции «Касатка» достаточно надежен и выдержал тесты по всем пт программки. При волнении 6-7 баллов система стабилизации антенны работала накрепко, поворотное устройство антенны работало стабильно. Успешное проведение муниципальных испытаний ПЛ-149 и размещение на ней радиолокационной опытнейшей станции «Касатка» дозволили комиссии Гос приемки советовать «переоборудовать первую партию подводных лодок проекта 613 по проекту 640. Всего было переоборудовано четыре ПЛ.
Тактико-технические свойства подводной лодки проекта 640 Водоизмещение обычное, м 1062 Длина большая, м 76 Ширина большая, м 6,3 Осадка средняя (по спецификации), м 5,1 Припас плавучести, в % от обычного водоизмещения 28 Исходная метацентрическая высота в надводном положении, м 0,50 Команда, чел. 56 Время непрерывного пребывания под водой, час. 500 Большая надводная скорость при обычном припасе горючего(18,76), уз. 17,5 Дальность плавания экономическим надводным ходом 7-8 уз. (расчетное), мили 7500 Дальность плавания экономической подводной скоростью 3 узла, мили 90
Вооружение Носовые торпедные аппараты для торпед калибра 533 мм, шт. 4
Средства навигации, наблюдения и связи Радиолокационная станция обнаружения самолетов "Касатка", компл. 1 Радиолокационная станция обнаружения надводных целей "Флаг", компл. 1 Радиолокационное запросно-ответное устройство "Нихром", компл. 1 Радиолокационная станция обнаружения и опознавания работающих РЛС "Накат", компл. 1 Гидролокационная станция "Тамир-5Л", компл. 1 Шумопеленгаторная станция "Феникс", компл. 1 Командно-транспортная аппаратура "Нерпа", компл. 1