Основные подразделения полигона включали штаб, летно-испытательную часть в составе трех авиационных полков и непосредственно связанную с ней инженерно-авиационную службу, научно-испытательную часть с ее лабораториями и испытательными отделами, службу тылового обеспечения.
В летно-испытательную часть входили три авиационных полка: 35-й бомбардировочный, 513-й истребительный и 647-й смешанный авиационный специального обеспечения.
В состав 35-го бомбардировочного авиационного полка (БАП) входило несколько типов самолетов. Вначале полк формировался на базе Ту-4, а затем в него поступили самолеты Ту-16, Ту-95, ЗМ, Ил-28, Бе-12, Су-7Б. Все машины, как правило, отличались от штатных дополнительным специальным и испытательным оборудованием. Они использовались в качестве самолетов-носителей и самолетов-лабораторий. Ту-4, Ту-16, Ил-28 и Су-7Б на различных этапах служили самолетами-носителями при воздушных ядерных испытаниях на Семипалатинском полигоне, а Ту-16, Ту-95 и ЗМ — при испытаниях на полигоне острова Новая Земля. Самолет Бе-12 отрабатывался и проходил испытания как носитель противолодочного ядерного оружия без привлечения к натурным ядерным испытаниям.
На вооружении 513-го истребительного авиационного полка (ИАП) были самолеты-истребители Ла-9, МиГ-15, а затем МиГ-17. Они использовались для сопровождения и охраны самолетов-носителей при полетах с испытываемыми образцами ядерного оружия. Задачи для истребителей были регламентированы очень строго. Самолеты-истребители снаряжались обычно полным боекомплектом стрелково-пушечного вооружения. Им предписывалось применять оружие вплоть до поражения для предотвращения умышленных уходов самолетов-носителей за пределы оговоренных заданием зон.
В 647-й смешанный авиационный полк специального обеспечения (САПСО) входили самолеты и вертолеты различных типов: По-2, Як-12, Ли-2, Ил-14, Ил-28, Як-25, Ан-8, Ан-12, Ан-24, Ми-6. Эти машины предназначались для выполнения следующих задач: отбора радиоактивных продуктов из облака ядерного взрыва; проведения воздушных фото- и киносъемок различных этапов ядерных испытаний; отработки и испытания самолетных (вертолетных) средств временного хранения, транспортирования и подготовки ядерных авиационных бомб и боевых частей ракет к боевому применению на базе Ан-8, Ан-12, Ан-24, Ми-6; выполнения полетов с задачами связи и транспортирования грузов.
Сложность работы инженерно-авиационной службы определялась тем, что одновременно приходилось обслуживать более десяти типов самолетов. При этом кроме самолетов истребительного авиаполка практически все остальные являлись уникальными и не соответствовали по своему оснащению штатным, находящимся на вооружении однотипным самолетам. В основном это были опытные самолеты, переоборудованные из штатных в самолеты-носители, самолеты-лаборатории, самолеты по отбору радиоактивных продуктов из облака ядерного взрыва и выполнению других нетипичных задач, которые диктовало обеспечение ядерных испытаний и внедрение нового для ВВС вида оружия.
Проводимые на полигоне работы требовали непрерывных доводок и изменений в конструкции самолетов. Все это должно было выполняться в согласовании с разработчиками авиационной техники, с которыми имелась четко налаженная оперативная связь, вплоть до пребывания на полигоне в период испытаний полномочных представителей от Министерства авиационной промышленности.
Структура научно-испытательной части с самого начала была представлена многочисленными тематическими подразделениями, лабораториями и отделами. Одно подразделение было ответственно за бомбардировочные установки самолетов-носителей, подвеску «изделий», транспортирование и бомбометание. В это направление также входили средства, связанные с доставкой «изделий» к самолетам-носителям и их подвеской. Другое занималось средствами прицельного бомбометания, третье — автоматикой «изделий», проверкой комплектующих узлов, сборкой боеприпасов, телеметрическими измерениями работы автоматики на траектории падения. Система подрыва, регистрация условий транспортировки, параметров поражающих факторов взрыва и их воздействие на самолет-носитель, внешнетраекторные измерение и определение баллистических характеристик, фото- и киносъемка, метеорологические измерения и прогнозирование метеоусловий — за каждое из этих направлений отвечало особое подразделение.
В 1952 году в структуре научно-измерительной части были организованы дополнительные отделы и частично преобразованы ранее созданные подразделения, основными из которых являлись: отдел испытаний ядерных авиационных бомб: отдел испытаний специальных авиационных боевых частей; отдел испытаний самолетов-носителей; отдел самолетных измерений; отдел испытаний средств эксплуатации, временного хранения и подготовки «изделий» к применению; отдел по средствам отбора радиоактивных продуктов из облака ядерного взрыва и дезактивации самолетов; лаборатория механических и климатических испытаний.
В 1961 году была осуществлена очередная реорганизация научно-измерительной части. Все ее подразделения были сведены в два управления: первое объединяло все подразделения, связанные непосредственно с испытанием ядерных боеприпасов, средств их эксплуатации, самолетов-носителей, а также средств отбора радиоактивных продуктов из облака ядерного взрыва; во втором управлении были сосредоточены подразделения по средствам внешнетраекторных и самолетных измерений, обработке результатов измерений, расчетно-вычислительные средства, а также лаборатории механических и климатических испытаний.
Создание отечественного ядерного оружия началось с разработки двух вариантов: бомбы имплозивного типа, названной «изделие РДС-1», и пушечного. К этим работам 71-й полигон был привлечен с 1947 года. При взаимодействии с КБ-11 работы велись под условными индексами: по первому — «изделие 501», а по второму — «изделие 601».
Испытатели полигона, несмотря на знания и опыт, не питали особых надежд на простоту и элементарность выполнения новых задач. Они отчетливо понимали, что для испытания «изделия 501» потребуется разработка новых методов и критериев оценок. Даже свойственные фугасным авиабомбам типовые аэробаллистические испытания при кажущемся формальном совпадении целей для тестов «изделия 501» имели существенные отличия. Это определялось тем, что корпус изделия не мог иметь оптимальную форму в аэродинамическом отношении: с одной стороны, диаметр изделия диктовался габаритами заряда, а с другой — длина его ограничивалась размерами бомбового отсека самолета-носителя. При этом аэробаллистика изделия должна была обеспечить не только необходимую точность бомбометания, но и стабильность поведения на траектории падения — колебания и вращения могли бы отрицательно повлиять на работу автоматики «изделия».
Летно-баллистические испытания первого бомбового изделия начались в первой половине 1948 года. С самолета Ту-4 осуществлялось бомбометание массогабаритными макетами «изделия» по Ногинскому полигону 4-го управления ГК НИИ ВВС. Летные испытания и исследования показали недостаточную устойчивость «изделия» на траектории падения. Требовались дополнительные меры по оптимизации конструкции за счет изменения формы обводов, положения центра масс, момента инерции. Дальнейшие летно-баллистические испытания «изделия» с «облагороженными» обводами корпуса и другими конструктивными уточнениями были продолжены на базе 71-го полигона.
На первом этапе с бомбардировщиков сбрасывали массогабаритные макеты будущей атомной бомбы. Затем на смену простым макетам пришли более сложные, оснащенные разнообразной самопишущей аппаратурой. В итоге были накоплены исчерпывающие материалы не только по баллистике, но и по линейным ускорениям, вибрационным перегрузкам. Многоканальные самописцы фиксировали распределение давления по корпусу «изделия», это помогло определить, в каких местах следует разместить приемники барометрических датчиков высоты.
Остатки макетов с самопишущей аппаратурой нужно было найти и извлечь из земли. Этим занималась полигонная команда. Зачастую «изделие» уходило в грунт Караларской степи на 6–7 м. Специальной техники для извлечения не было, солдаты работали лопатами. Особенно тяжело приходилось во время крымской слякотной зимы и ранней весны, когда полигонная команда была вынуждена добираться до «изделия» по бездорожью и раскисшим полям. Здесь выручали оставшиеся после войны американские «студебеккеры» и «доджи» — только благодаря им команда сохраняла мобильность.
