Боевой многоразовый пилотируемый одноместный орбитальный самолет длиной 8 м, с размахом крыла 7,4 м (в разложенном положении) выполнялся по схеме «несущий корпус». Благодаря выбранной аэродинамической компоновке на стреловидные консоли крыла приходилось лишь 3,4 м, а остальная часть несущей поверхности соотносилась с шириной фюзеляжа. Консоли крыла при прохождении участка плазмообразования (выведение на орбиту и начальная фаза спуска) отклонялись вверх для исключения прямого обтекания их тепловым потоком. На атмосферном участке спуска орбитальный самолет раскладывал крылья и переходил в горизонтальный полет.
Двигатели орбитального маневрирования и два аварийных ЖРД работали на высококипящем топливе АТ-НДМГ (азотный тетраксид и несимметричный диметилгидразин), аналогичном применяемому на боевых баллистических ракетах. В дальнейшем, впрочем, его планировалось заменить на более экологичное топливо на основе фтора. Запасов топлива хватало на орбитальный полет продолжительностью до двух суток, но основная задача орбитального самолета должна была выполняться в течение первых 2–3 витков.
Боевая нагрузка составляла 500 кг для варианта разведчика и перехватчика и 2 т — для космического бомбардировщика. Фотоаппаратура или ракеты располагались в отсеке за отделяемой кабиной-капсулой пилота, обеспечивающей спасение пилота на любых стадиях полета. Посадка совершалась с использованием турбореактивного двигателя на грунтовой аэродром со скоростью 250 км/ч на выпускаемое четырехстоечное лыжное шасси.
Для защиты аппарата от нагрева при торможении в атмосфере предусматривался теплозащитный металлический экран, выполненный из множества пластин жаропрочной стали ВНС и ниобиевых сплавов, расположенных по принципу «рыбной чешуи». Экран подвешивался на керамических подшипниках, выполнявших роль тепловых барьеров, и при колебаниях температуры нагрева автоматически изменял свою форму, сохраняя стабильность положения относительно корпуса. Таким образом, на всех режимах конструкторы надеялись обеспечить постоянство аэродинамической конфигурации.
К орбитальному самолету пристыковывался одноразовый двухступенчатый блок выведения, на первой ступени которого стояли четыре ЖРД тягой 25 т, а на второй — один. В качестве топлива на первое время планировалось использовать жидкие кислород и водород, а впоследствии перейти на фтор и водород. Ступени ускорителя по мере вывода самолета на орбиту последовательно отделялись и падали в океан.
«Спиралью», кстати, многие годы, кроме прочих специалистов, занимался и второй космонавт СССР Г. С. Титов. Отъездив после полета, как и Гагарин, положенные почетные маршруты по нашей стране и ее окрестностям, Титов поступил в Академию имени Н. Е. Жуковского. И здесь узнал, что в самолетном КБ А. Микояна идут работы над «космическим истребителем» многоразового использования по проекту «Спираль».
За время учебы Титов понял (хотя официального запрета вроде и не было), что шансов слетать еще раз в космос в рамках программы пилотируемых полетов у него крайне мало — там и так большая очередь из тех, кто еще не летал.
А роль «свадебного генерала» его не устраивала. И тогда он попросился в КБ Микояна на роль первого пилота космического истребителя. Микоян, впрочем, встретил его без особой радости, понимая, какой груз ответственности за судьбу Титова он на себя возлагает. Тем не менее космонавт номер 2 стал первым в списке будущих пилотов «космического истребителя» наряду с А. Филипченко и А. Куклиным.
Будущие космонавты-испытатели прошли теоретическую подготовку в Липецке, а затем, в 1967 году, во Владимировке начали осваивать испытательную работу. Затем, по мере развертывания работ по проекту «Спираль», в Звездном городке был создан так называемый «четвертый отдел», куда вошли молодые летчики Кизим, Романенко, Джанибеков, Малышев и др.
Предшественниками самого будущего истребителя стали так называемые БОРы, на которых в беспилотном режиме отрабатывались разные узлы и методики использования будущего космолета. Так один из БОРов, напоминавший обыкновенный МиГ-17, только с укороченными крылышками и лыжеобразной формой фюзеляжа, подвешивался к самолету-носителю, затем сбрасывался с большой высоты и без двигателя шел на посадку. Другая модификация, полностью бескрылая и больше всего похожая на лапоть с треугольными стабилизаторами в корме, поднималась ракетой-носителем в космос и оттуда по спирали планировала на Землю, приводняясь в Тихом океане.