Шла война, и все силы авиационной промышленности и смежных с ней отраслей были направлены на обеспечение массового выпуска серийных боевых самолетов. Внедрение новых авиационных материалов и изделий из них в условиях войны было затруднено, поэтому самолетостроителям приходилось использовать сортамент листов и прессованных профилей из легких сплавов десятилетней давности. Аналогичная ситуация была характерна для радиосвязного и радиотехнического оборудования, а также для системы стрелково-пушечного вооружения.

В ходе эскизного проектирования самолета в бригаде общих видов, возглавлявшейся Б. М. Кондорским, были рассмотрены несколько десятков вариантов компоновок. Спектр рассматривавшихся вариантов был очень широк — от четырехмоторных самолетов, близких к В-24, В-17 и ФВ-200, до экзотических компоновочных решений с использованием двухбалочной схемы.

25 июня 1944 года Туполеву позвонил маршал авиации А. Е. Голованов. Дежурно доложил, что «бьем и гоним», и, понизив тон, сказал, что 22 июня 1944 года немцы нанесли по аэродрому в Полтаве, где базировались американские самолеты после очередной «челночной» бомбардировки, сильный удар.

— Уничтожено несколько десятков «крепостей». Союзники обломков не считают, сильно битых не восстанавливают. Привезем вам навалом. Полк — не знаю, а эскадрилью собрать точно можно. Команда дана, дня через четыре ждите.

Немного позднее разговор на ту же тему состоялся с наркомом А. И. Шахуриным.

Конечно, Туполев хорошо знал бомбардировщик В-17. Но в 1944 году машине этой было уже почти десять лет, а во время войны, отличавшейся сверхстремительным развитием авиации, это был слишком большой срок. Тем более что были захвачены фрагменты, а то и целые образцы нескольких немецких машин, не то что дававших пищу, но предлагавших целое пиршество для конструкторских размышлений.

Тем не менее в сентябре 1944 года Сталин поставил вопрос о возможном копировании американского четырехмоторного бомбардировщика. Туполев решительно возражал против этого, подчеркивая, что В-17 — самолет вчерашнего дня, что, насколько ему известно из литературы и конфиденциальных источников, у Штатов появился гораздо более совершенный бомбардировщик В-29, пока используемый ими только на Тихоокеанском театре.

Работая над самолетом «64», туполевцы остановились на нормальной схеме четырехмоторного самолета с герметичными кабинами, разнесенным вертикальным оперением и шасси с носовым колесом. В ходе эскизного проектирования внимательно изучался опыт подобной работы с американским бомбардировщиком Б-29. Все то новое, что было на тот момент в самолетостроении и что могла позволить в технологическом отношении отечественная промышленность, было привнесено в проект.

В результате был предложен самолет, по своему техническому совершенству и технологическим решениям занимавший промежуточное, переходное место между бомбардировщиками разработки конца 1930-х годов типа Пе-8 и «сверхкрепостями» типа Б-29.

Несмотря на все сложности, в августе 1944 года был готов эскизный проект, согласно которому самолет «64» представлял собой тяжелый четырехмоторный бомбардировщик, предназначенный для проведения дневных бомбардировочных операций в глубоком тылу противника. Большие скорости и высоты полета, а также мощное оборонительное пушечное вооружение обеспечивали ему возможность действия в зонах с самой сильной ПВО противника. Применение крупнокалиберных бомб (до 5 тонн) определяло высокую эффективность наносимых бомбовых ударов.

Экипаж самолета «64» состоял из 8–9 человек, располагавшихся в двух герметичных и одной негерметичной кабинах. В передней гермокабине находились первый летчик — командир корабля, второй летчик, штурман-бомбардир, бортинженер и радист; в средней находились старший стрелок, левый бортовой стрелок и правый бортовой стрелок; в задней негерметичной кабине находился стрелок кормовой пушечной установки, которого мог заменять один из боковых стрелков.

Бомбардировочное вооружение самолета «64» было рассчитано на возможность резкого увеличения бомбовой нагрузки при действиях по целям, мало удаленным от линии фронта, и на возможность подвески бомб самых крупных калибров, при этом нормальная бомбовая нагрузка составляла 5 тонн, максимально допустимая — 18 тонн!

Бомбардировочное вооружение располагалось так, что ко всем его агрегатам и к бомбам был обеспечен свободный подход на земле и в полете.

Для защиты от атак истребителей противника на самолете «64» была создана мощная система стрелково-пушечного вооружения, обеспечивающая полный круговой обстрел, причем каждая точка пространства обстреливалась, как минимум, четырьмя стволами. Управление башнями электродистанционное, старший стрелок управлял огнем двух верхних башен, бортовые стрелки управляли нижними башнями, причем каждый стрелок мог вести огонь как из одной, так и из обеих башен. Управление передними башнями в случае необходимости могло быть в любой момент переведено в переднюю кабину. Кормовая установка использовалась как дополнительная огневая точка при полетах на малых высотах, на большой же высоте кормовой стрелок переходил в среднюю герметичную кабину.

Самолет был оборудован радиостанциями дальней и межсамолетной связи, радиополукомпасом, радиокомпасом, радиовысотомером, аппаратурой опознавания и другими радиосистемами, позволявшими уверенно выполнять полет по заданному маршруту.

Все основные системы управления самолета «64» были электрифицированы, за исключением управления особо нагруженными агрегатами (шасси, бомбовые люки и т. д.), которые имели гидравлический привод.

Технологически самолет «64» проектировался так, чтобы его можно было строить поточным методом при крупносерийном производстве. С этой целью каркас самолета и оборудование были разбиты на большое число отдельно изготовляемых агрегатов. В конструкции самолета предполагалось широкое применение цветного литья, горячей и холодной штамповки, что позволяло механизировать процесс изготовления деталей самолета.

В ходе эскизного проектирования на окончательном этапе работы рассматривались два варианта самолета «64», отличавшиеся друг от друга геометрическими размерами, компоновкой носовой части фюзеляжа, составом оборудования, вооружением и размещением экипажа.

В первом варианте самолет «64» имел размах крыла 42 метра и длину фюзеляжа 30 метров. Рабочие места летчиков в передней герметичной кабине были приподняты, а сами летчики имели индивидуальные фонари истребительного типа, выходившие за контур фюзеляжа. Экипаж состоял из десяти человек.

На основании предварительных работ по самолету «64» в августе 1944 года ВВС подготовили проект тактико-технических требований к высотному дальнему бомбардировщику с четырьмя двигателями АМ-42ТК. Согласно этому проекту ОКБ А. Н. Туполева должно было спроектировать и построить самолет-бомбардировщик, способный помимо ударных задач вести стратегическую разведку и обеспечивать десантно-транспортные операции.

В варианте дальнего бомбардировщика самолет должен был иметь боевую высоту 9—10 тысяч метров, тактический радиус действий не менее 2000 километров (при полете с бомбовой нагрузкой пять тонн), мощное пушечное вооружение с круговым обстрелом, а также бомбовый отсек, вмещающий 18 тонн бомб (из них две бомбы по пять тонн и четыре бомбы по две тонны). Помимо основного варианта силовой установки с двигателями АМ-42ТК предлагалось проработать возможность использования двигателей АМ-46ТК и М-84.

Состав экипажа и его размещение были близки к первому варианту эскизного проекта «64», проработанному в ОКБ: два летчика, два штурмана, борттехник-стрелок, стрелок-радист и три стрелка, всего девять человек. Экипаж должен был размещаться в герметичных кабинах.

На самолете предлагалось использовать самое современное оборудование, которым располагала на тот период отечественная авиационная промышленность. Как видно из эскизного проекта и требований ВВС к самолету «64», советская авиация должна была в обозримом будущем получить современный дальний бомбардировщик, соответствующий по своим летно-тактическим данным лучшим западным аналогам, в частности американскому Б-29. Однако большим недостатком проекта было отсутствие бортовой радиолокационной станции, связанной с оптическим бомбардировочным прицелом, имевшимся на том же Б-29.