Он был в основном готов к 28 сентября 1930 г. 31 октября самолет подготовили к испытаниям, но из-за ряда дефектов они начались только 22 декабря. Первый полет, в котором машиной управлял экипаж М.М.Громова, чуть не закончился аварией — разболтались сектора газа, не имевшие надежной фиксации. В отчете потом написали: «Сектора ползают, механик поправляет». Всего к 20 февраля 1931 г. совершили 10 полетов, на колесах и на лыжах. Их итогом стала высокая оценка: «Самолет по своим летным данным — вполне современный тяжелый бомбардировщик, стоящий на одном уровне с лучшими иностранными самолетами». Можно даже сказать, что испытатели поскромничали — ни одна страна мира не имела самолета, подобного АНТ-6.
Конечно, не обошлось без недостатков. Рули признали недостаточно эффективными. Жалюзи водяных радиаторов самопроизвольно открывались и закрывались. После того, как крышки смотровых люков на крыле пару раз открылись в полете, их сняли совсем. Глушители моторов прогорали и трескались. Пожарная сигнализация срабатывала, вызывая ложную тревогу — потом выяснилось, что на датчики подтекала вода из расширительных бачков. Некоторые из мостиков, которые должны были выкидываться из передней кромки крыла для работы мотористов на земле, не открывались совсем, другие, наоборот, открывались, но в рабочем положении запирались весьма ненадежно и наступать на них было страшно. Весьма существенными являлись выявленные дефекты в конструкции амортизации шасси.
Машину рекомендовали к серийному производству, но потребовали внести в нее ряд существенных изменений. Основным из них стало применение моторов BMW VI. Кроме этого, НТК предписал изменить предусмотренные типы радиостанций и повторно заявил о необходимости смонтировать «подкрыльные башни по типу подфюзеляжной башни самолета Р-6». Последнее, правда, согласились отнести уже к головной серийной машине.
25 апреля 1931 г ЦАГИ выставил на испытания доработанный АНТ- 6 с моторами BMW VIE7.3 (730 л.с.). На нем нарастили вверх киль, изменили конструкцию элеронов, переделали костыль, немного увеличили рули высоты. При этом удалось устранить ряд ранее выявленных недостатков. Например, прикрыли полом шедшие ранее открыто через кабину бортмеханика тросы управления и бензинопроводы, усовершенствовали глушители. А пожарную сигнализацию просто сняли (что вызвало протест представителей ВВС). Переделки подняли вес пустого самолета на 340 кг. Винты теперь были деревянные типа ЦАГИ вместо стоявших ранее стальных американских, но тоже двухлопастные. С 29 апреля машина испытывалась в НИИ ВВС. Уже 1 мая ее гордо продемонстрировали в воздухе над Красной площадью, а 22 мая состоялся официальный показ бомбардировщика членам правительства. Они осмотрели его на Центральном аэродроме, а затем поглядели на короткий полет. За последний пилотов Козлова и Залевского начальник НИИ наградил «заграничными часами «Мозер» с секундомером» — очевидно, самолет произвел должное впечатление.
Первый опытный экземпляр АНТ-6 с моторами «Конкверор», Центральный аэродром, 31 октября 1930 г. Возможно около этого ангара его и обнаружили члены германской военной делегации, поражённые размерами «четырёхмоторного бомбовоза». АНТ-6 с двигателями «Конкверор» во время Госиспытаний, февраль 1931 г.
Действительно, машина явно получилась удачной. Хотя замена двигателей незначительно ухудшила летные данные, максимальная скорость оставалась выше требований технического задания — 213 км/ч. Вызвали одобрение и взлетно-посадочные характеристики. В отчете записали: «На разбеге самолет прост, устойчив, тенденций к заворотам и прыжкам нет… Посадка проста и никаких особенностей не имеет». В горизонтальном полете бомбардировщик держался устойчиво, можно было даже бросить на время штурвал.
ТБ-3 даже, пожалуй, чрезмерно устойчиво держался на курсе. Чтобы ввести его в вираж, от пилота требовались значительные усилия. «Вообще управление самолета ненормально тяжело, в особенности управление элеронами», — говорил отчет НИИ ВВС.
Испытания не довели до конца — замучались с покрышками. Сначала решили, что покрышки подрезаются ободом. Обод обшили тонкой хромовой кожей. Не помогло. К 23 августа покрышки изодрали совсем и полеты пришлось прекратить. Резины на огромные колеса ТБ-3 в СССР не нашлось — купили в Англии, у фирмы «Палмер». «Палмеровские» покрышки по нынешним временам выглядели совершенно необычно: каждая из них состояла из трех частей — середины и боковин, стягивавшихся металлическими крючками, а сверху на все это натягивалось прорезиненное полотно.
Тем не менее, в целом испытатели опять дали высокую оценку работе туполевцев: «Анализ полученных летных данных и грузоподъемности TB3-4BMBVIE=7,3 позволяет отнести его к лучшим мировым самолётам». Машину рекомендовали принять на вооружение ВВС РККА. Но добавили и «ложку дегтя»: «Приходится констатировать, что самолёт… обладает совершенно недоделанным вооружением и по существу в таком виде тяжелым бомбовозом не является».
Вооружения на самолёте действительно почти не стояло. Но здесь виновен был не только ЦАГИ, но и УВВС, и заводы-смежники. Фактически только в июне 1931 г. окончательно определились с составом бомбового вооружения машины. На опытном АНТ-6 имелись только внутренние кассетные бомбодержатели Дер-9, да и те недоведённые. Но кроме этого самолет должен был нести еще три типа наружных держателей, которые еще предстояло изготовить.
Уже упоминавшиеся башни от Р-6 для установки под крыльями НИИ ВВС еще в марте пытался приобрести на заводе № 22, но там отказали — башен не хватало даже на первую серию «крейсеров». Так до июля ни одной и не получили. Впрочем, чертежей, как их монтировать, пока тоже не приготовили.
Задержки с доводкой ТБ-3 вызывали раздражение у руководства ВВС. 11 сентября 1931 г. начальник ВВС РККА командарм Я.И. Алкснис, выступая в НИИ ВВС, сказал: «История с испытанием самолета ТБ-3 достойна того, чтобы попасть на страницы «Крокодила» и самым беспощадным образом быть высмеянной: опытный образец этой машины еще в 13-ю годовщину (Алкснис ошибся — это был Первомай. — Прим. авт.) летал над Красной площадью, скоро год, а машина до сих пор ещё не испытана…»
Но в то же время УВВС вносило постоянные поправки в состав и размещение оборудования и вооружения. Так, 31 декабря от ЦАГИ потребовали разработать подвеску четырех пристрелочных и четырех светящихся бомб, изменить установку подфюзеляжных бомбодержателей так, чтобы их не надо было снимать при использовании Дер-9 (это сделали много позже), спроектировать новые подкрыльные башни (вращающиеся, с круговым обстрелом — их не сделали вообще).
Полный комплект вооружения планировали установить на опытный АНТ-6 к августу 1931 г. Но сделать в срок этого не удалось. Не хватало то одного, то другого — многие предметы оборудования и вооружения изготовлялись в нашей стране впервые и этот процесс шел не быстро и не легко.
Опытный ТБ-3 с моторами BMW VI на Госнспытаниях в НИИ ВВС, май 1931 г.
Мотоустановка ТБ-3 с двигателями BMW VIE7.3. Хорошо виден радиатор и его штампованная нижняя боковая поверхность.
АНТ-6 после доработок, проведённых по результатам Госиспытании, январь 1932 г. Хорошо видны бомбодержатели для крупных бомб Дер-13 и мачты антенн радиостанций 14-СК и 11-С, смонтированные, соответственно, снизу и сверху.
Вид сзади на подкрыльевую стрелковую башню Б-2. Хорошо виден пулемёт ДА кабибра 7,62 мм, а также балочные держатели, рассчитанные на 250-кг бомбы.
Самолет все это время находился в НИИ ВВС. В октябре 1931 г. туда прибыла немецкая делегация. Ей показали истребители И-4 и И-5, а также бомбардировщик ТБ-1. На последнем даже дали полетать немецкому пилоту. И вот у одного из ангаров делегация и сопровождающие наткнулись на невовремя выкаченный наружу ТБ-3. Офицеры рейхсвера закидали наших вопросами о «четырехмоторном дневном бомбовозе», а те не знали, чего отвечать — ведь даже упоминать о существовании этой машины им запретили. Тем не менее, из оправдательных записок руководства НИИ четко видно, что бомбардировщик произвел на немцев неизгладимое впечатление.