Помимо ОКБ А. Н. Туполева, предварительной проработкой по этой теме в СССР занималось ОКБ-23 В. М. Мясищева, создавшее несколько выдающихся образцов тяжелых самолетов. Здесь в конце 1950-х годов были подготовлены предложения по нескольким оригинальным и свежим проектам СПС (М-53, М-55А, М-55Б и М-55В).
Начало 1960-х годов ознаменовалось развертыванием практических работ над англо-французским СПС «Конкорд» («Concorde») (начало исследований 1955–1956 годы) с крейсерской сверхзвуковой скоростью полета более 2М, с дальностью полета со 120–140 пассажирами на борту — 6000–6500 километров. Одновременно основные авиационные фирмы США, исходя из своего видения рынка будущих пассажирских самолетов, приступили к работам по проектированию значительно более крупного СПС, чем «Конкорд», предназначенного для перевозки 250–300 пассажиров с крейсерской скоростью до 3M на дальность около 8 тысяч километров (проекты фирм «Боинг», «Локхид», «Дуглас»).
Анализ условий существования будущего СПС, проведенный в СССР применительно к уровню отечественного самолетостроения и его ближайших перспектив, а также экономических возможностей страны и потребностей ГВФ, показал, что для СССР наиболее предпочтительным является создание СПС, близкого к англо-французскому «Конкорду». Перед отечественной авиационной наукой и промышленностью вставали научно-технические проблемы, с которыми наша ни дозвуковая пассажирская, ни военная сверхзвуковая авиация не сталкивались. Прежде всего для обеспечения требуемых летно-технических характеристик СПС (двухмаховый полет на дальность со 100–120 пассажирами до 6500 километров, в сочетании с приемлемыми взлетно-посадочными данными) требовалось обеспечить значительное улучшение аэродинамики самолета при крейсерских полетах на 2–2,2М. Длительный полет на скорости более 2M был связан с необходимостью обеспечения жаропрочности и жаростойкости некоторых агрегатов планера при повышенных температурах, предстояло создать теплостойкие конструкционные материалы, смазки, герметики, учесть особенности работы конструкций в условиях циклического аэродинамического нагрева.
Все эти задачи детально изучались, а при необходимости и решались в ЦАГИ, в ОКБ А. Н. Туполева, другими ОКБ, привлекавшимися к программе создания советского СПС.
Официальным основанием для начала работ по отечественному СПС первого поколения (СПС-1), получившему обозначение Ту-144, стало постановление Совета министров СССР от 16 июля 1963 года и приказ Министерства авиационной промышленности от 26 июля того же года.
ОКБ А. Н. Туполева предписывалось спроектировать и построить сверхзвуковой пассажирский самолет с крейсерской скоростью полета 2300–2700 км/ч, практическая дальность полета на сверхзвуке с 80–100 пассажирами оговаривалась в 4000–4500 километров; а в перегрузочном варианте, с дополнительными топливными баками и с 30–50 пассажирами, — 6000–6500 километров. Эксплуатация таких самолетов предполагалась с аэродромов первого класса при нормальной взлетной массе машины в 120–130 тонн. В 1966–1967 годах предполагалось построить пять экземпляров Ту-144 (из них два экземпляра для прочностных испытаний).
Двигатели для Ту-144, в соответствии с рекомендациями ЦИАМ, задавались двухконтурными турбовентиляторными с форсажными камерами. ОКБ Н. Д. Кузнецова на основе газогенератора ДТРД HК-8 предписывалось создать для будущего советского СПС ДТРДФ, получивший обозначение НК-144, с взлетной тягой 20000 кгс и удельным расходом топлива на крейсерском сверхзвуковом режиме на уровне 1,35–1,45 кг/кгс*ч. Следует отметить, что успех проекта Ту-144 (как и любого другого самолета) в большой, если не в бóльшей степени зависел от успехов двигателистов. Выбор для Ту-144 ДТРДФ, работающего на форсаже на крейсерских режимах, был отнюдь не бесспорным, но давал возможность получить для Ту-144 менее напряженный в температурном отношении двигатель, а соответственно более надежный и менее дорогой, для выполнения полетов в широком диапазоне высот и скоростей, чем в случае выбора одноконтурного турбореактивного двигателя. Большие сомнения вызывала возможность получения умеренных расходов топлива на крейсерских режимах на данном типе двигателя и, как следствие, обеспечение требуемой дальности полета. Еще при проектировании сверхзвуковых стратегических носителей М-50/М-52 и М-56 в ОКБ Мясищева, а также в ходе проработки СПС М-53 и М-55, там получили расчетные результаты, говорящие о том, что развить приемлемую сверхзвуковую дальность полета на тяжелом самолете вполне реально при условии использования двигателей с удельным расходом топлива в пределах 1,2 кг/кгс*ч. Такой двигатель в опытных экземплярах к началу 1960-х годов в СССР был создан — это был одноконтурный бесфорсажный турбореактивный двигатель «16–17» (взлетная тяга 18000 кгс, удельный расход топлива на крейсерском режиме 1,15 кг/кгс*ч), разработанный в ОКБ-16 П. Ф. Зубца.
Проектирование Ту-144 Андрей Николаевич решил поручить отделению «К», занимавшемуся до этого беспилотной техникой и имевшему достаточный опыт в области освоения длительного полета со скоростями, превышающими 2M (ударный беспилотный самолет Ту-121, беспилотные самолеты-разведчики — серийный Ту-123 и опытный Ту-139). Главным конструктором и руководителем работ по теме Ту-144, при активной поддержке министра обороны Д. Ф. Устинова и министра авиационной промышленности П. В. Дементьева, Андрей Николаевич назначил своего сына — Алексея Андреевича Туполева. Это решение вызвало недовольство некоторых старых помощников Андрея Николаевича, прежде всего С. М. Егера.
Именно под руководством Алексея Андреевича, с привлечением лучших сил отечественной авиационной науки и техники, в отделении «К» рождалась идеология и будущий облик Ту-144.
В дальнейшем, после смерти А. Н. Туполева и назначения А. А. Туполева руководителем предприятия, темой Ту-144 руководили Ю. Н. Попов и Б. А. Ганцевский. СПС Ту-144 был одной из главных и наиболее престижных тем в деятельности ОКБ имени Туполева и всего Министерства авиационной промышленности в течение полутора десятилетий.
В ходе проработки аэродинамической компоновки Ту-144 в ОКБ и в ЦАГИ рассматривалось несколько десятков возможных вариантов. Изучалась «нормальная» схема с горизонтальным оперением в хвостовой части фюзеляжа, от нее отказались. Отказались и от схемы «утка», оценив проблему влияния дестабилизатора на основное крыло. Остановились на схеме низкоплана — «бесхвостки» с крылом, образованным двумя плоскостями: треугольника, переходящего в трапецию, с углом стреловидности по передней кромке 78 градусов — для передней наплывной части и 55 градусов — для задней части. Самолет нес четыре ДТРДФ, размещенных под крылом, оснащался вертикальным оперением, расположенным на продольной оси самолета, трехопорным убирающимся шасси.
В конструкции планера машины главным образом использовались традиционные алюминиевые сплавы. Крыло образовывалось из симметричных профилей и имело сложную крутку в двух направлениях: в продольном и поперечном. Этим достигалось наилучшее обтекание поверхности крыла на сверхзвуковом режиме, кроме того, подобная крутка содействовала улучшению продольной балансировки на этом режиме. Конструкция крыла многолонжеронная, с мощной работающей обшивкой из сплошных плит, выполненных из алюминиевых сплавов, центральная часть крыла и элевоны изготовлялись из титановых сплавов. Аэродинамическая форма фюзеляжа выбиралась из условий получения минимального сопротивления на сверхзвуковом режиме. Добиваясь этого, пошли даже на некоторое усложнение конструкции самолета. Характерной особенностью Ту-144 была опускающаяся при взлете и посадке остекленная носовая часть фюзеляжа перед пилотской кабиной, что обеспечивало хороший обзор на больших взлетно-посадочных углах атаки, присущих самолету с крылом малого удлинения.
