South Dakota (lớp thiết giáp hạm) (1939)
Thiết kế

Một số lượng lớn câu hỏi được đặt ra về những yêu cầu đối với lớp thiết giáp hạm mới. Nhóm thiết kế đã liệt kê một số lớn những đề nghị khác nhau; một phương án đề xuất chín khẩu pháo 406 mm (16 inch) trên ba tháp pháo ba nòng, vỏ giáp sàn tàu dày 150 mm (5,9 inch) giúp con tàu miễn nhiễm với đạn pháo bắn tới cho đến khoảng cách 27 km (30.000 yard), và một tốc độ tối đa đạt ít nhất 42,6 km/h (23 knot). Đai giáp hông là một vấn đề hóc búa hơn nhiều; pháo 406 mm (16 inch) có khả năng xuyên thủng lớp giáp dày 343 mm (13,5 inch), kiểu đai giáp dày nhất được sử dụng trên các thiết giáp hạm Mỹ vào lúc đó, ngay cả ở khoảng cách 22,8 km (25.000 yard). Nhằm bảo vệ con tàu trước hỏa lực của chính nó, một đặc tính thường được biết đến như là "vỏ giáp cân bằng", đai giáp chính phải được tăng cường lên 394 mm (15,5 inch), khiến làm gia tăng trọng lượng rẽ nước của con tàu vượt quá giới hạn cho phép. Để làm giảm nhẹ vấn đề này, đai giáp nghiêng được sử dụng; và nó không thể sử dụng vỏ giáp nghiêng cho một đai giáp bên ngoài, vì sẽ ảnh hưởng độ ổn định của con tàu tới mức nguy hiểm. Tuy nhiên, điều này vẫn có những nhược điểm nghiêm trọng: việc chế tạo đai giáp nghiêng khá phức tạp, và nếu nó bị hư hại, lớp vỏ bọc bên ngoài trước tiên phải được cắt bỏ trước khi sửa chữa bản thân đai giáp.
Để tối thiểu hóa những nhược điểm của một đai giáp nghiêng, nó được cho đặt chéo ra bên ngoài từ lườn tàu, rồi được cho nghiêng vào trong hướng về sàn tàu bọc thép. Điều này có nghĩa là một quả đạn pháo bắn từ một khoảng cách tương đối gần sẽ trúng phần trên của đai giáp ở một góc, làm cho sự bảo vệ của vỏ giáp được tối đa. Tuy nhiên, hiệu quả của phần phía trên của đai giáp bị giảm sút ở tầm xa, vì những quả đạn pháo bắn tới sẽ chạm đích ở một góc gần như vuông góc, làm gia tăng khả năng đâm xuyên vỏ giáp. Nó giúp giảm thiểu bề mặt cần được che phủ bởi vỏ giáp sàn tàu, làm giảm thêm được trọng lượng. Điều này cho phép đai giáp trên được làm dày hơn, phần nào đó cải thiện sự mong manh đối với đạn pháo bắn tới từ tầm xa. Vì đai giáp được đặt bên trong, nó cung cấp khả năng mở rộng vào phần bên trong của đáy tàu hai lớp, cho phép con tàu có được sự bảo vệ dưới nước tốt hơn so với lớp North Carolina dẫn trước. Cuối cùng, kiểu đai giáp kép nghiêng phức tạp bị hủy bỏ khi rõ ràng là một đai giáp nghiêng duy nhất có thể cung cấp sự bảo vệ tương tự mà lại tiết kiệm hàng trăm tấn trọng lượng.
Kích cỡ của lườn tàu cũng là một vấn đề: nói chung một lườn tàu dài hơn sẽ cân bằng với một tốc độ tối đa lớn hơn, nhưng đòi hỏi nhiều vỏ giáp hơn để bảo vệ nó. Để duy trì một tốc độ tối đa lớn hơn trên một lườn tàu ngắn hơn, cần có hệ thống động lực có công suất lớn hơn. Vì thiết kế của lớp South Dakota ngắn hơn nhiều so với lớp North Carolina trước đó: 210 m (680 ft) thay vì 222 m (729 ft) tương ứng, những con tàu mới cần phải được cải tiến hệ thống động lực để sử dụng trên lườn tàu ngắn hơn mà vẫn duy trì cùng một tốc độ như những chiếc dài hơn. Thiết kế ban đầu yêu cầu một tốc độ tối đa ít nhất 41,7 km/h (22,5 knot), được cho là đủ để bắt kịp thiết giáp hạm đối phương và nhanh hơn tàu ngầm đi trên mặt biển. Tuy nhiên, vào năm 1936, các báo cáo của Hải quân Nhật giải mã được cho thấy thiết giáp hạm Nagato có khả năng đặt được tốc độ tối đa trên 48 km/h (26 knot). Có thể xác định là một tốc độ tối đa giữa 47,8 và 48,5 km/h (25,8 và 26,2 knot) có thể đạt được nếu như hệ thống động lực của North Carolina có thể thu gọn kích thước đủ để có thể gắn vừa vào lườn tàu chật hẹp hơn của South Dakota. Để đạt được như vậy, các máy móc phải được sắp xếp lại sao cho các nồi hơi được bố trí ngay bên trên các động cơ turbine, một giải pháp tương tự như cách từng được áp dụng cho lớp tàu chiến-tuần dương Lexington vào năm 1916. Các nồi hơi sau đó được tái bố trí nhiều lần, để chúng được đặt so le với các turbine, và cuối cùng được đặt song song bên cạnh turbine. Hệ thống động lực được bố trí sát với nhau đến mức có thể; các thiết bị cô đọng và tinh lọc nước cũng được đặt trong phòng máy. Việc này cung cấp đủ chỗ trống bổ sung bên trong đai giáp cho việc bố trí thêm một phòng bản đồ thứ hai, so với chỉ có một trong lớp North Carolina trước đó.
Vào lúc này, quá trình thiết kế đã tiến triển đến mức có thể đưa ra những đặc tính chế tạo chi tiết của con tàu: lườn tàu dài 203 m (666 ft) và được tích hợp một đai giáp nghiêng bên trong duy nhất. Tuy nhiên, dự phòng trường hợp Ủy ban Tướng lĩnh không chấp thuận phương án này, các nhà thiết kế hải quân đã tạo ra một loạt các biến thể. Chúng bao gồm một kiểu dài hơn, nhanh hơn trang bị pháo 355 mm (14 inch) trên các tháp pháo ba nòng, kiểu chậm hơn với pháo 355 mm (14 inch) trên các tháp pháo bốn nòng, những phiên bản cải tiến dựa trên lớp North Carolina, và một chiếc tốc độ 50 km/h (27 knot) trang bị chín pháo 16 inch có cấu hình tương tự như North Carolina. Các cuộc tranh luận đã nổ ra về những con tàu mới, thường tập trung chung quanh vấn đề về tốc độ. Trưởng phòng Tác chiến Hải quân từ chối giảm tốc độ con tàu mới dưới mức 46,3 km/h (25 knot), các hạm đội tranh luận rằng tối thiểu 50 km/h (27 knot) là cần thiết để duy trì sự đồng nhất trong hàng chiến đấu, và Hiệu trưởng của Học viện Chiến tranh Hải quân giữ quan điểm cho rằng một con tàu nhanh là lý tưởng, nhưng hải quân cần tiếp tục sử dụng những thiết giáp hạm cũ tốc độ chậm 39 km/h (21 knot) cho đến thập niên 1950, vì vậy một tốc độ cao hơn không tuyệt đối cần thiết. Thiết kế nguyên thủy 203 m (666 ft) là phương án duy nhất đáp ứng các yêu cầu đặc trưng về tốc độ, sự bảo vệ và chín khẩu pháo 305 mm (16 inch). Đến cuối năm 1937, thiết kế được đề nghị khá tương tự như những con tàu được chế tạo; một số cải tiến nhỏ được thực hiện để tiết giảm trọng lượng và tăng góc bắn cho các khẩu pháo. Chỗ nghỉ ngơi của thủy thủ đoàn, ngay cả phòng khánh tiết dành cho sĩ quan cao cấp và phòng ăn đều bị giảm kích thước, và các cửa thông gió hoàn toàn bị loại bỏ; toàn bộ con tàu sử dụng hệ thống lưu chuyển không khí nhân tạo.