После войны А. И. Нестеренко был заместителем командующего артиллерией Ленинградского военного округа, в мае 1946 г. назначен начальником создаваемого НИИ-4 МО Академии артиллерийских наук. Для создания института Нестеренко получил в Болшево под Москвой городок инженерных войск и приступил к организации института. В этом же городке он предоставил возможность генералу В. И. Вознюку начать формировать Государственный центральный полигон Капустин Яр. Здесь были организованы и укомплектованы основные службы ГЦП, после чего Вознюк с этими подразделениями переехал в Капустин Яр, где продолжил работу по созданию полигона.
Алексей Иванович вникал во все научные, технические, хозяйственные и бытовые вопросы института. После доклада президенту Академии артиллерийских наук генерал-лейтенанту Благонравову о сформировании научных и вспомогательных подразделений Нестеренко получил от него указания: создать в НИИ-4 ученый совет, разработать и строго выполнять план научно-исследовательских работ, организовать тесное взаимодействие института со всеми НИИ, КБ и полигоном Капустин Яр. Нестеренко посещает ОКБ-1, знакомится с С. П. Королевым и со всеми КБ, занимающимися ракетами и оборудованием для их испытаний. Уже на стадии разработки он подключает свои научные подразделения к работам по их профилю. Тесное взаимодействие с разработчиками обеспечивало ускорение выполнения научно-исследовательских работ и их практическую ценность. Исследуя вновь создаваемые боевые ракетные комплексы, институт завоевывает авторитет и начинает диктовать промышленности тактико-технические требования к ракетным комплексам и всем их системам.
Нестеренко узнал, что в НИИ-1 МАП существует группа М. К. Тихонравова, которая работает над созданием ракет дальнего действия и использованием их для полета человека в космос. По рекомендации министра авиационной промышленности Шахурина он связался с Тихонравовым, пригласил его в НИИ-4 для беседы и после рассказа Тихонравова о работах группы предложил всей группе перейти в НИИ-4, при условии, что она будет работать по профилю института, так как Президиум Академии артиллерийских наук не утвердит для НИИ-4 космическую тему. Одновременно договорились, что Нестеренко не будет препятствовать работе группы сверх плана над своей темой. Это устроило Михаила Клавдиевича, и в декабре 1946 г. его группа из 22 человек перешла в НИИ-4 МО. В течение 1947-го и в начале 1948 г. группа Тихонравова без ЭВМ проделала колоссальную расчетную работу и доказала, что с помощью пакетной ракеты, состоящей из одноступенчатых ракет с дальностью около тысячи километров, можно вывести на орбиту искусственный спутник Земли. Тихонравов сделал доклад на научном совете НИИ-4. С большим трудом удалось добиться включения доклада Тихонравова в план научной сессии Академии артиллерийских наук.
14 июля 1948 г. на научной сессии Академии артиллерийских наук М. К. Тихонравов выступил с докладом «Пути осуществления больших дальностей стрельбы ракетами», где развил идею Циолковского об эскадре ракет, предложил пакетную схему ракеты на базе существующих ракет. Завершил он свой доклад словами: «Таким образом, дальность полета ракет не только теоретически, но и технически не ограничена». Доклад встретили молчанием, не зная, как на него реагировать. Было много иронических усмешек, а один высокий чин изрек: «Институту, наверное, нечем заниматься, и потому вы решили перейти в область фантастики». И это о докладе, который изменил ход развития ракетно-космической техники, привел к созданию первой в мире межконтинентальной ракеты и первого в мире спутника! Только С. П. Королев серьезно отнесся к докладу. Он специально приехал к Тихонравову в НИИ-4, увидел расчеты и графики и сказал окружившим его инженерам: «Вы — инженеры с большой буквы!» Королев ухватился за идею пакетной ракеты и наладил сотрудничество с Тихонравовым, воплотив его идеи в ракете Р-7. Тому есть документальные доказательства. Дневник Тихонравова свидетельствует о частых встречах с Королевым. Пункт о перспективности направления работ по пакетной схеме появляется в эскизном проекте ракеты Р-3 в 1949 г. В письме и в техническом задании на НИР, направленном Королевым в НИИ-4 МО 16 декабря 1949 г., он прямо признает актуальность работ «по исследованию составных ракет типа «пакет», проводимых в НИИ-4 МО под руководством члена-корреспондента Академии артиллерийских наук М. К. Тихонравова».
Несмотря на неодобрение высокого начальства и сокращение группы Тихонравова до двух человек, Нестеренко по-прежнему поддерживает работу Тихонравова. Они дружили семьями, все праздники и юбилеи отмечали вместе. Сам Нестеренко очень высоко оценивает заслуги Михаила Клавдиевича Тихонравова и Николая Гавриловича Чернышева (химик, специалист по ракетному топливу). Алексей Иванович пишет, что «они своей работой заставили заниматься такие крупные, мощные организации, как ОКБ-1, НИИ-88». И далее: «Если бы я в свое время не предложил Михаилу Клавдиевичу работать на таких условиях, когда он сверх плана работал бы над задуманной им темой, не поддержал бы его, то вопрос об искусственных спутниках Земли у нас оттянулся бы еще на несколько лет. Группа М. К. Тихонравова сделала большое дело, и не случайно потом Сергей Павлович добился, чтобы М. К. Тихонравов был переведен в его КБ, где ему было поручено возглавить отдел перспективного развития ракетной техники». Зная честность, правдивость и скромность Алексея Ивановича, ему можно полностью верить, тем более что теперь приоритет Тихонравова и использование его работ Королевым подтверждены документально.
Начальник НИИ-4 В. З. Дворкин в книге «Незабываемый Байконур» сообщает: «Результаты исследований группы Тихонравова были изложены в отчетах НИИ-4 МО: «Исследование возможности и целесообразности создания составных ракет» (1950), «Исследование принципа ракетных пакетов для достижения больших дальностей стрельбы» (1951), «Выбор оптимальных вариантов ракет для стрельбы на большие дальности» (1952). На основании проведенных исследований в 1951 г. был разработан и выслан в ОКБ-1 проект экспериментальной ракеты пакетной схемы, способной осуществить запуск ИСЗ. В материалах проекта рассмотрены конструктивные особенности составной ракеты, состоящей из нескольких одноступенчатых ракет, представлена методика оптимизации ее параметров. Рассмотрены также вопросы старта, устойчивости полета, разделения ступеней, способы перелива топлива в баки ракеты, продолжающей полет после разделения ступеней. Некоторые результаты исследований использовались при эскизном проектировании ракеты Р-7. Проект содержал раздел, посвященный проблемам создания ИСЗ, вывода его на орбиту и спуска на Землю». На официальной защите в 1956 г. эскизного проекта первого ИСЗ С. П. Королев отметил, что проект спутника разработан в ОКБ-1 на основе исследовательских работ группы сотрудников НИИ-4 МО, возглавляемой М. К. Тихонравовым.
Вклад Нестеренко, оценившего и поддержавшего группу Тихонравова в то время, когда еще никто и не думал о пакетной ракете и спутнике, очень велик. Он сэкономил Родине несколько лет на создание межконтинентальной ракеты и спутника, что позволило обеспечить приоритет в осуществлении их полетов. Разве мог подумать тогда Алексей Иванович, что ему же придется воплощать теорию в практику, вкладывая свой недюжинный ум и энергию в создание космодрома Байконур, испытания первой в мире пакетной межконтинентальной ракеты Р-7 и запуск первого в мире искусственного спутника Земли?
Нестеренко был прогрессивным человеком и видел перспективы нового дела. Он участвовал в работах по исследованию зенитных управляемых снарядов для ПВО страны, по спуску и мягкой посадке на землю с помощью парашютно-тормозной системы груза, сбрасываемого с самолета (Сталинская премия 3-й степени, 14.3.1951).
Несмотря на то что деятельность А. И. Нестеренко в НИИ-4 всеми оценивалась положительно, в сентябре 1951 г. он был снят с должности за то, что, как вспоминал генерал-полковник А. А. Максимов, написал в ЦК докладную записку, где назвал работу группы С. П. Королева по созданию ракет типа Фау-2 экономической диверсией. Он мотивировал это тем, что Фау-2 в войне никакой погоды не сделали из-за низкой точности. Наши ракеты того времени имели точность 8 км по дальности и 4 км по боковому отклонению. Так что докладная имела достаточные основания. Главное же было в том, что многие испугались репрессий и расценили этот поступок как предательство. И несмотря на то, что Алексей Иванович всей своей последующей жизнью доказал беззаветную преданность ракетам, ему не простили его ошибки даже через много лет. Когда Совет ветеранов Байконура вместе с другими организациями к 70-летию А. И. Нестеренко вышел с ходатайством о присвоении ему звания Героя Советского Союза, которое он безусловно заслужил более многих околокосмических героев из Москвы (имевших, кстати, ошибки много крупнее, и к тому же небескорыстные), обращение оставили без последствий.
