Создание авиационно-ракетного комплекса К-20 было начато в соответствии с Постановлением СМ СССР от 11 марта 1954 г. Он включал стратегический бомбардировщик Ту-95, сверхзвуковую крылатую ракету большой дальности Х-20 и систему управления.

Головным исполнителем было назначено туполевское ОКБ-156. Ракета разрабатывалась в ОКБ-155 А.И. Микояна, главный конструктор – М.И. Гуревич. Система наведения разрабатывалась КБ-1 Минвооружений под руководством В.М. Шабанова. Термоядерная БЧ создавалась в КБ-11 Министерства среднего машиностроения. Год разработки – 1954-й, начало испытаний – 6 июня 1957 г., принятие на вооружение – 9 сентября 1960 г., годы производства – 1960–1965 гг.

В системе применялось комбинированное программное радиокомандно-инерциальное управление. После выхода в расчетную точку с удалением 550–600 км от цели вне радиолокационной видимости цели (350–380 км при радиолокационном контакте) производилась отцепка ракеты с работающим на форсаже двигателем. На 46-й секунде полета автопилот переводил ракету в набор высоты до 15 000 м. На 221-й секунде ракета переводилась в режим стабилизации высоты и подключалось радиокомандное управление с коррекцией по курсу и дальности при радиолокационном контакте с целью. Через 10–15 мин. радиокомандного цикла управления ракета переходила в режим автономного управления. За 50 км до цели ракета переводилась в пикирование с углом 60° и на высоте 500—1000 м производился подрыв термоядерной БЧ. Радиус действия авиационного ракетного комплекса К-20 достигал 7000 км.

Х-20 – сверхзвуковая крылатая ракета большой дальности с термоядерной БЧ, предназначенная для поражения площадных объектов ядерным зарядом. ТТХ ракеты: длина – 15,41 м, диаметр – 1,89 м, высота ракеты – 3,015 м, размах крыла – 9,03 м, стартовый вес – 12 000 кг, скорость полета – 2000 км/ч, дальность пуска – 150–550 км, высота отцепки – 9—12 км, система наведения – комбинированная (инерциальная + радиокомандная), боевая часть – термоядерная («изделие 37 Д», масса БЧ: 2300 кг, мощность 1–3 Мгт).

Ракета Х-20 представляла собой классический беспилотный самолет-снаряд со стреловидным крылом и оперением. Двигатель – короткоресурсный АЛ-7 ФК с тягой на форсаже 9200 кгс, установленный в фюзеляже, топливо – ТС, Т-1. Крыло с элеронами площадью 25,14 кв2 и стреловидностью 55°. Цельноповоротный стабилизатор, киль с рулем направления и небольшой подкилевой гребень. Киль и крыло – съемные. Носовую часть, сразу после входного устройства воздухозаборника, занимает топливный бак № 1 на 1390 кг топлива. В следующем отсеке устанавливается СБЧ «изделие 37 Д». В центральной части фюзеляжа находился мягкий топливный бак № 2 на 2100 кг и баки № 3 и № 4 – всего 5090 кг авиакеросина ТС или Т-1. Возле бака № 3 располагался бак пускового топлива (бензин Б-70) и маслобак двигателя. В хвостовом отсеке над и под двигателем находились блоки электрооборудования, блоки автопилота, аппаратура радиоуправления, энергоузел, контрольный разъем.

В специальном отсеке фюзеляжа ракеты устанавливался контейнер СБЧ. Ее агрегаты помешались в двух секциях – собственно боевом с ядерным зарядом типа «Т» с системой термоядерного усиления и приборном, содержавшем аппаратуру автоматики с командным взрывательным устройством, инициировавшим синхронное срабатывание электродетонаторов при заданном наземном контактном подрыве или воздушном, на заданной высоте над целью. Отсек СБЧ оборудовался средствами термостатирования, поддерживавшими требуемую температуру и влажность для обеспечения работоспособности заряда.

СБЧ оснащалась также системой предохранения и взведения, исключающей возможностью случайного срабатывания и обеспечивающей подрыв лишь с соблюдением установленной процедуры. Включалась она в работу: после ввода специального шифра в кодоблокировочное устройство самолета в полете, при прохождении последовательных сигналов об отстыковке ракеты от самолета, траекторных параметрах (скорости, высоте и т. д.) и удалении на безопасное расстояние от самолета. Схема способствовала безопасности самолета-носителя и своих войск при пусках ракет, предохраняя от возможности взрыва на земле, при подвеске и при пуске, а кодовая блокировка практически исключала несанкционированный подрыв – шифр на разблокировку «замка» вводился лишь по специальному распоряжению начальника Генштаба.

Ракета подвешивалась в грузоотсек на балочный держатель БД-206 и в полете находилась в полуутопленном положении. При пуске БД опускался вниз и после отцепки ракеты грузоотсек закрывался створками.

Для летной отработки систем беспилотного изделия использовались два серийных истребителя МиГ-19, переоборудованных ОКБ-155 в самолеты-аналоги CM-20/II. Аналоги в первых полетах взлетали с аэродрома, в последующем – поднимались в воздух на Ту-95 К и после сброса выполняли полет с помощью системы управления К-20, отрабатывая характерные режимы. Их пилотировали летчики-испытатели Ахмет-Хан Султан и В.Г. Павлов. В течение 1957 г. самолеты-аналоги совершили 27 полетов с самостоятельным взлетом и 32 – со сбросом с носителя. Всего же пара СМ-20 выполнила более 150 испытательных полетов по программе К-20.

С 6 июня 1957 г. по 29 июля 1958 г. прошли испытания самолетов-снарядов Х-20. От ОКБ-155 всеми испытаниями по беспилотной тематике руководил И.А. Шустер. При обработке данных, решении вопросов динамики и траектории использовалась первая в стране БЭСМ-1, находившаяся в Институте точной механики АН СССР, а весной 1959 г. первая такая вычислительная машина появилась и в лаборатории ОКБ. Испытания Х-20 шли удовлетворительно, без проявления существенных дефектов системы. Летом 1958 г. Ту-95 К и Х-20 демонстрировали Н.С. Хрущеву, посетившему ЛИИ. Глава государства благосклонно оценил увиденное, что было немаловажно для судьбы проекта (для ОКБ-23 Мясищева такой визит завершился скорым расформированием).

Совместные госиспытания начались 15 октября 1958 г. и завершились 1 ноября 1959 г. Выполнили 16 пусков Х-20, из которых зачетными признали 11. Серийные ракеты выпускались заводом № 256 в Дубне, затем заводом № 86 в Таганроге. Первый серийный Ту-95 К построен в марте 1958 г. на заводе № 18 в Куйбышеве. Производство их продолжалось до 1962 г. Из-за большой ракеты на подвеске дальность самолетов упала на 2000 км, поэтому был разработан вариант Ту-95 КМ со штангой для заправки топливом в воздухе.

Система К-20 в 1959 г. начала поступать в 1006-й тбап (г. Узин) и 182-й гв. тбап (Моздок) 106-й тбад 2-го отбак, затем – в 1226-й тбап 79-й тбад (Чаган) 8-го отбак. В 1962 г. из 19 пусков 15 были успешными, а в 1987 г. все 10 пусков были успешными. Комплекс К-20 простоял на вооружении 30 лет. В конце 1980-х гг. часть самолетов переоборудовали под комплекс Ту-95 К-22, а часть утилизировали согласно Договору СНВ-1 1991 г. За освоение данного комплекса старшему штурману 1006-го тбап п/п-ку Варивода Е.Я. в 1966 г. было присвоено звание «Заслуженный военный штурман СССР» (единственный старший штурман полка).