Na przełomie lat 50. i 60. zakończono projektowanie skrzydlatych rakiet P-5 i P-6/P-35 dla marynarki wojennej, które zaprojektowano pod kątem długotrwałego przechowywania w dedykowanych pojemnikach. Czełomiej zaproponował, by tę samą technikę zastosować do rakiet balistycznych i statków kosmicznych. W 1958 roku OKB-52 przedstawiło projekt wielostopniowego międzykontynentalnego pocisku balistycznego, ale projekt ten odrzucono, faworyzując konstrukcję R-36, Michaiła Jangiela. Zaakceptowano za to następny projekt biura, UR-100, który był sowiecką odpowiedzią na amerykański pocisk Minuteman. Dzięki pomysłowi z przechowywaniem rakiet w specjalnych pojemnikach, UR-100 można było odpalić w ciągu 3 minut nawet po 10 latach przechowywania.
W 1958 Czełomiej został również członkiem korespondentem Radzieckiej Akademii Nauk. Tego samego roku doszło do ważnego spotkania Czełomieja z Chruszczowem. 8 marca 1958 biuro OKB-52 wchłonęło zakłady GSNII-642, na mocy dekretu ministerstwa przemysłu lotniczego 293-140 O podporządkowaniu GSNII-642 OKB-52. W tym samym dniu Czełomiej zatrudnił jego syna, Siergieja, jako inżyniera. Zatrudnienie syna wodza Związku Radzieckiego dało Czełomiejowi natychmiastowy i szeroki dostęp do najwyższych możliwych stopni decyzyjnych w kraju.