YF-3是中国第一台高空发动机，工作在60千米以上高空。保证发动机高空顺利点火启动成了研制工作中的重大技术难关。在张贵田主持下，液体火箭发动机研究所科技人员从实际出发，根据发动机燃料和氧化剂相遇就自燃点火的情况，经过研究分析和反复试验论证，提出了解决方案：为二级发动机造成一个在高空跟地面一样的点火环境，并进一步改造了发动机有关系统，保证两组元进入燃烧室有合适的时差，并采取在燃烧室喉部粘合堵盖、副系统加薄膜等措施，确保发动机启动时，所有腔道均保持有与地面相同的点火环境。这样，推进剂二组元既能够可靠点火，又不会出现爆燃。
1966年3月3日，YF-3发动机首次全系统试车成功。10月8日，首次100秒长程试车获得成功。为了取得二级发动机高空性能参数，考核发动机的高空点火和工作情况，需要进行发动机的高空环境试验。液体火箭发动机研究所设计了一个抽真空扩散试验舱作为发动机高空模拟试验装置，利用发动机喷焰喷射抽空作用，在试验舱内形成高空低压环境。1966年9月，高空模拟试验装置研制成功，11月2日，首次进行的二级发动机高空模拟试验，获得了高空性能参数，高空推力达到290千牛，完全满足火箭二级对发动机推力的要求(后提高到320千牛)。以后，又多次进行改进设计和地面试车，并经导弹飞行试验考验，证明二级发动机工作可靠，选定的点火方案可行。
为了减少东风四号的长度和结构重量，第二级的储箱采用了先进的共底储箱方案，同时还采用了锥形承力后底，使发动机推力直接作用在箱底上。共底储箱结构一是要防止渗漏;二是要防止共底受负压。因为一旦发生破裂和渗漏，两种推进剂碰到一起就要爆炸。因此要按外压设计共底;生产中要有严格的检漏措施。二级箱体共底叉形环和壳段的焊接处空间太窄，不能用气动涨圈撑圆来保证焊接前的装配质量。一院211厂反复试验后，用特殊的对接接头形式解决了储箱的拼底焊接问题。
七机部一院还与协作单位共同努力，解决了弹头高速再入防热的问题。东风四号弹头采用高硅氧/酚醛材料模压端头体、端头帽和天线窗，大面积防热层采用高硅氧/酚醛材料重叠缠绕、常压固化工艺。核战斗部(代号512)由核武器研究院负责研制，为300万吨当量的热核弹头，在东风三号弹头基础上改进而成。
东风四号导弹射程远，测速精度要求高，特别是对试验场及航区的安全控制要求严，原有的以光学设备为主体的测量系统已不能满足飞行试验的要求，必须建立以无线电设备为主体、光学设备相配合的新的测控体系。
1965年3月，根据东风四号导弹和东风五号洲际导弹的研制试验计划，酒泉导弹试验基地向国防科委提出了研制无线电弹道测量和试验场安全系统的申请。6月，国防工办、国防科委联合给四机部下达了研制任务，代号为“154工程”。该工程由十院19所负责技术抓总，由该所魏鸣一任总设计师。154工程分两期进行。一期工程采用连续波短基线干涉仪测速、单脉冲雷达定位混合体制的中精度无线电外弹道测量系统，以满足东风四号导弹飞行试验的需要。一期工程包括8个分系统：连续波测速分系统、单脉冲雷达定位分系统、引导分系统、时间统一分系统、安全控制分系统、弹上设备分系统、数据传输分系统和电波传播特性研究。
