С января 1955 г. к переучиванию на Ту-16 приступили полки 13-й гв. тбад – 185 и 226-й гв. тбап, базировавшиеся в Полтаве, и 202-й гв. тбап – в Миргороде. В том же году начал переучивание на Ту-16 и 840-й тбап в Сольцах. Переучивание велось высокими темпами, отдельные экипажи имели налет по 190–220 часов в год.

На следующем этапе началось освоение Ту-16 А – носителя ядерного оружия. В отличие от Ту-16, он имел электрическую систему обогрева и термостабилизации бомбоотсека с целью создания необходимых условий для атомного боеприпаса, систему подготовки его к сбросу, на самолете был реализован ряд мер по защите от воздействия светового излучения атомного взрыва – белая противоатомная покраска нижней части фюзеляжа. С 1956 г. на аэродромах введено боевое дежурство самолетов-носителей – несколько экипажей постоянно находились в боевой готовности к вылету. Дежурство было отменено в 1961 г.

На самолете Ту-16 впервые столкнулись с таким грозным явлением, как «подхват» – самолет вдруг резко задирал нос, скорость падала, и машина сваливалась в штопор. Проявилась и другая проблема – «всплывание элеронов» на больших высотах и скоростях, приводившее к тем же последствиям. Уникальный случай произошел в 56-й тбад с экипажем майора Юпатова И.Е. 27 марта 1961 г., когда его Ту-16 после сваливания в штопор перевернуло на «спину» и двигатели выключились. Командиру удалось запустить двигатели, вывести самолет из штопора и произвести посадку на аэродроме. После этого случая на самолете были выполнены необходимые доработки и выданы рекомендации летным экипажам по действиям при попадании и выводе из сваливания.

Танкер

С целью увеличения радиуса действия для дальних бомбардировщиков Ту-16 стала осваиваться дозаправка в воздухе. Во избежание наименьших переделок в конструкции самолетов для выполнения дозаправки был выбран крыльевой способ, отличавшийся от других систем большой сложностью в технике пилотирования.

В качестве воздушного танкера использовался самолет Ту-16 т, оборудованный дополнительным топливным баком, заправочным узлом на правой консоли, тросом и шлангом заправки. Для устойчивого положения шланга в воздушном потоке (после его выпуска) на конце шланга имелся стабилизирующий парашютик площадью ≈1 м2. А на конце левой консоли заправляемого самолета снизу имелся контактный узел с вращающимся механическим захватом в форме крюка. Для ночных полетов на заправку топливом в воздухе оба самолета имели дополнительное светотехничкское оборудование.

Система дозаправки постоянно совершенствовалась. Со временем заправляемые самолеты и самолеты-танкеры получили дополнительное оборудование – радиотехническую аппаратуру «Свод – Встреча»,

В марте 1964 г. в связи с принятием на вооружение межконтинентальных ракет крыльевая дозаправка на Ту-16 была отменена. К началу 1970-х гг. большую часть заправщиков переоборудовали в ракетоносцы, при этом почти на всех боевых Ту-16 топливоприемное оборудование сохранялось.

Наряду с танкерами, оборудованными системой крыльевой заправки Ту-16 Т, з, ю, с 1963 г. в строй поступил небольшой парк танкеров Ту-16 Н, НН (20 единиц), имевших систему конусной дозаправки для обеспечения заправки самолетов Ту-22 Р от 199-го и 290-го одрап. Они состояли на вооружении 200-го гв. тбап (Бобруйск) и 251-го гв. тбап (Белая Церковь). Систему заправки полностью взяли с танкера ЗМС, уменьшился лишь запас перекачиваемого топлива. Оборудование разместили в грузовом отсеке. Для облегчения выдерживания строя при дозаправке на Ту-16 Н вдоль фюзеляжа снизу наносилась красная полоса.

Первым в мире серийным межконтинентальным носителем ядерного оружия среди реактивных самолетов стал советский стратегический бомбардировщик М-4. Создав через четыре года после американцев собственную атомную бомбу, СССР не только проигрывал в размерах ядерного арсенала, но и не мог доставить «оружие возмездия» на территорию США. Возникла необходимость в средствах его доставки. 24 марта 1951 г. Постановлением Совета министров СССР № 949–469 строительство стратегического бомбардировщика возлагается на ОКБ-23 МАП. Главным конструктором назначается В.М. Мясищев. К декабрю 1952 г. опытный экземпляр самолета был построен на заводе в Филях. 20 января 1953 г. экипаж во главе с летчиком-испытателем Ф. Опадчим совершил первый полет.

С этого дня начались заводские испытания, которые закончились 15 апреля 1954 г. В 1954 г. к испытаниям подключили второй опытный экземпляр. Параллельно началась подготовка к серийному производству. Подготовка производства проходила прямо с эскизов, благодаря чему серийное строительство М-4 началось уже в 1954 г., и в августе был готов головной корабль.

30 апреля 1954 г. первый опытный самолет «М» передали на Государственные совместные испытания (ГСИ) в ГК НИИ ВВС. Прежде чем начать полеты по их программе, самолет был продемонстрирован на воздушном параде 1954 г. над Красной площадью в честь Первомая. Показ произвел сильное впечатление на отечественную публику и зарубежных дипломатов.

5 мая 1954 г. состоялся первый полет в рамках ГСИ. Испытания завершились 25 июля 1955 г. подписанием Акта, в котором, в частности, отмечалось, что самолет пригоден для использования в строевых частях. В тот же период бомбардировщик получил официальное обозначение М-4.

Самолет принят на вооружение в 1954 г. Всего было построено 32 самолета М-4. Первые машины были весьма сырыми. 6 июля 1954 г. вышло Постановление СМ СССР № 1428—642 о модернизации самолета М-4. Модернизированный самолет 3 М был поднят в воздух 27 марта 1956 г. экипажем летчика-испытателя М.Л. Галлая. Выпуск 3 М начался с 1956 г., он имел более экономичные двигатели ВД-7 и мог применять до 24 тонн бомб калибром от 100 кг до 9 тонн.

Самолет М-4 (3М) – цельнометаллический моноплан классической схемы с высокорасположенным стреловидным крылом.

Фюзеляж – полумонокок круглого сечения диаметром 3,5 м и длиной 45,6 м – технологически делился на носовую часть с передней гермокабиной, среднюю часть, включавшую центроплан крыла, хвостовую часть и кормовою кабину. В передней гермокабине размещался экипаж, основное пилотажно-навигационное оборудование и приборы управления вооружением. Крыло – свободнонесущей кессонной конструкции с углом стреловидности 35°. Механизация крыла состояла из посадочных щитков под мотогондолами и выдвижных закрылков типа.

Хвостовое оперение – однокилевое, стреловидное, кессонной конструкции.

Силовая установка бомбардировщика состояла из четырех самых мощных в то время реактивных двигателей АМ-3 А конструкции Микулина с тягой по 8700 кГс, в 1955–1957 гг. на самолет установили более мощные и экономичные двигатели РД-3 М, а затем РД-3 М-500 А. Тяга на максимальном режиме была увеличена до 9500 кГс. На самолете 3М с 1957 г. были установлены двигатели ВД-7, которые при тяге в 11 000 кГс, что на 26 % больше, чем у предшественника, имели и меньший на 25 % удельный расход топлива, да и по весу были легче. Объем топлива также был увеличен, в том числе за счет подвесных баков.

Шасси – велосипедной схемы, состояло из двух главных четырехколесных тележек и двухколесных свободно-ориентирующихся крыльевых опор. Для маневрирования при движении на земле передняя пара колес передней тележки могла поворачиваться на углы 4° с помощью гидравлической рулевой машины, тележка допускала разворот на углы до 27° в обе стороны. Передняя тележка была оснащена механизмом «вздыбливания» для автоматического увеличения угла атаки самолета при достижении скорости отрыва при разбеге по ВПП. Взлет происходил практически без вмешательства летчика. Колеса задней тележки имели тормоза. Подкрыльные опоры шасси самоориентирующиеся.

В бомбоотсеке самолета предполагалось размещать до двух бомб калибра 9000 кг, трех бомб калибра 6000 кг или любые свободнопадающие бомбы калибра 250 кг и более суммарной массой до 24 000 кг.