20世紀30年代前期， 蘇聯人在著手進行26型輕巡洋艦（初代“基洛夫”級）設計工作的同時，並行展開了搭載更強火炮的大型巡洋艦的預研工作。1935年3月，位於列寧格勒的第1中央船舶設計局（今天“涅瓦”設計局的前身）在船體設計處負責人阿納託利·約薩福維奇·馬斯洛夫以及具體設計負責人沃因·彼得羅維奇·裡姆斯基-科薩科夫的合作下，完成了名為大型巡洋艦的“ Х工程”設計工作，並繪製了基礎圖紙和說明文件，還製作了模型。
X型大型輕巡洋艦模型
按照設計，“Х”型大型巡洋艦將裝備能夠摧毀任何具備相同或更快航速的（包括條約型重巡洋艦在內的）巡洋艦，遇到敵方戰列艦或戰列巡洋艦也能有一搏之力的大口徑主炮。其副炮分為反雷擊艦艇火炮和高炮，用以有效反擊來自敵方驅逐艦、魚雷艇、潛艇以及飛機的攻擊。為了能對半徑50海里以內的區域實施航空偵察、校射和驅離對方轟炸機的防空任務，艦上將搭載一定數量的飛機。同時，該型艦還應具備儘可能高的航速和強大的續航能力。艦上的化學發煙裝置、通信設備以及探照燈等設備的組成和安裝形式都沿用26型輕巡洋艦的設計，人員編制則包括艦長、政治委員、79 名中級軍官、34 名低級軍官以及 600 名水兵和軍士，艦上還預留了供旗艦指揮員及其參謀班子的高級艙室，以便於用作編隊旗艦使用。
X型大型巡洋艦方案二視圖
經模擬推演和科學論證結果表明：為了剝奪敵方艦艇的自由航行區、壓制潛在對手的類似戰艦，如德國的“德意志”級裝甲艦和日本的“高雄”級重巡洋艦，“Х”型大型巡洋艦需要裝備口徑介於 220~225 毫米級別的大口徑主炮。若要將未來可能出現的其他擁有更強裝甲防護水平的新型戰艦考慮在內，則要求採用12門240毫米口徑的主炮，佈置在4座主炮塔中。副炮和高炮被統一為6座雙聯裝炮塔式高平兩用炮（每舷各3座），其口徑根據海軍局下設科學技術委員會的意見被設定為130毫米，預計射速為每分鐘12~15發/門。此外艦上還將配備2座三聯裝533毫米魚雷發射裝置、6 門21-К型45毫米半自動高炮和4挺12.7毫米高射機槍，在甲板上還可以裝在100枚1931年式水雷在敵方基地附近執行攻勢佈雷任務。艦炮的射擊指揮通過4部指揮測距部位進行，其中2部負責指揮主炮，另2部負責控制高平兩用火炮。
在接到第1中央船舶設計局委託的設計任務後，列寧格勒金屬廠下屬設計局的武爾夫著手開始設計60倍徑的240毫米火炮及配套的三聯裝主炮塔。每門火炮都擁有獨立的彈藥提升井，可發射初速為940米/秒、彈丸重235千克、裝藥量100千克的大威力重裝藥炮彈。火炮身管的俯仰範圍在-5°~+60°，當以10°的仰角射擊時，最大射速為5發/分鐘。每門火炮的彈藥基數為110 發。
“Х”型大型巡洋艦需要在遠洋獨立進行作戰，因此對航空偵查提出了特別的要求。在參考了瑞典海軍的“哥特蘭”級載機輕巡洋艦的設計後，蘇聯設計師們在“Х”型艦上配備了整整9架水上飛機（當時這是一整支蘇聯海軍水上飛機飛行大隊的編制數量），通過由水上飛機進行空中校射，“Х ”型大型巡洋艦可以在不暴露自身位置的前提下發揮其主炮射程遠的優勢，遠距離攻擊海平線以外的敵方目標。9架飛機除了1架事先放置在彈射器上隨時待發外，其他飛機都以機翼摺疊的狀態貯存在艦上機庫中。如果還嫌飛機數量不夠，還允許在甲板上以散件方式攜帶2至3架同型號的水上飛機，待起飛前再組裝起來。機庫中裝備了能夠將水上飛機送上彈射器的特殊絞盤以及吊臂，飛機返航時則利用吊臂和鎖鏈將其吊回艦上固定。
“Х ”型大型巡洋艦的主裝甲帶和甲板裝甲是按照抵擋英制203毫米穿甲彈來設計的，舷側主裝甲帶和水平甲板的裝甲厚度分別為115毫米和75毫米，艦上縱隔艙壁、上甲板和主裝甲帶上方的船殼外板則帶有25毫米厚的防彈片裝甲。
按照設計，“Х ”型大型巡洋艦應有能力避開強敵並能夠追上並消滅較弱的敵人。為此該型艦的主動力裝置計劃配備3臺功率高達210000馬力的增壓渦輪機以及6臺與“45”型驅逐艦（不是牛牛的“頂個球”型）同一型號的直流鍋爐，以保證最大航速能夠達到38節。在燃料充足的情況下續航力指標應能保證以最高航速持續航行15個小時。
“Х ”型大型巡洋艦還計劃攜帶2艘代號為“跳蚤”的袖珍潛艇-半潛式魚雷艇。1934~1935年， 該艇作為“Х工程”配套項目同樣交給了第1中央船舶設計局負責，總設計師為瓦列裡揚·柳多米羅維奇·布熱津斯基。“跳蚤”型袖珍潛艇-半潛式魚雷艇的水面排水量35.3噸，水下排水量74噸。艇上裝備的武器有2枚450毫米魚雷和自衛用的機槍。
跳蚤型魚雷艇搭載示意圖
按照布熱津斯基的設想，“跳蚤”型艇平時固定在“X”型巡洋艦艉部兩側的軌道上或煙囪側面（照這種固定方式其實最多可以搭載4艘），由母艦將其送抵目標海區用自動艇架或吊臂收放。基本的戰術是以半潛的狀態隱蔽地接近目標，使用魚雷發起攻擊後以再以水面航行狀態全速脫離戰鬥海域。
“跳蚤”型袖珍潛艇-半潛式魚雷艇計劃使用2臺新穎時髦的單一閉式循環柴油機。所謂單一發動機，就是將艇上的柴油機同時作為水面和水下航行時的動力，而不通過推進電機來驅動螺旋槳，以此來達到較高的水下航速。“跳蚤”在水面航行時的航速33節，水下航速11節。
一開始，蘇聯海軍對這個“多面手”方案很感興趣，不過隨著論證的深入，設計師們沮喪地發現他們在同一艘艦體上集成了太多的功能，以至於可能會無法執行較為複雜的任務。首先，“跳蚤”型袖珍潛艇-半潛式魚雷艇的支持力只有短短的3到5天，即使母艦能夠成功靠近敵方海岸附近展開活動，也很難在被敵人發現的情況下從容的將“跳蚤”艇回收，最壞的結果可能是“跳蚤”魚雷艇和其英勇的艇員們會被無情的拋棄。“跳蚤”自身的技術性能導致了其只能在有限的封閉或半封閉海域內使用，一旦遠離母艦則可能與其失去聯繫。而且“跳蚤”艇在母艦上是露天存放，毫無遮掩和防護，在母艦同敵方水面艦艇編隊交戰過程中容易中彈受損成為母艦的拖累。艦載水上偵察機雖然有其存在的必要性，但過多的搭載數量會導致水上飛機收放作業變得繁重而低效，嚴重影響巡洋艦執行其他任務的能力。因為以上原因，“Х”型大型巡洋艦僅僅停留在方案論證和模型階段，並未能投入建造。
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