Jego innowacyjne podejście do standaryzacji i masowej produkcji elementów pocisków manewrujących, rakiet balistycznych i statków kosmicznych było zgodne z planami Chruszczowa zakładającymi redukcję środków przeznaczanych na zbrojenia.
Rozwój rakiet UR W 1959 roku Czełomiej został mianowany krajowym głównym konstruktorem sprzętu lotniczegoEncyclopedia Astronautica podaje, że został wtedy głównym konstruktorem OKB-52..
W 1961 roku Czełomiej i OKB-52 rozpoczęły prace projektowe nad rakietą balistyczną UR-500, którą charakteryzowała bardzo duża moc. Nośność rakiety miała być tak duża, że miała być ona zdolna do wyniesienia małego, dwuosobowego statku kosmicznego na orbitę okołoksiężycową. Tym samym, Czełomiej stał się rywalem dla księżycowych projektów Korolowa. Przekonywał także, że jego nowa rakieta będzie mogła wynosić duże wojskowe stacje kosmiczne. Mając wsparcie Chruszczowa Czełomiej szybko rozbudowywał swoje biuro konstrukcyjne, przejmując inne biura i fabryki rozwiązywane w ramach restrukturyzacji przemysłu obronnego. Jego biuro wchłonęło m.in. biura Ławoczkina i Cybina (marzec 1961).