Ассортимент бомбового вооружения самолета существенно расширился – от мелких «зажигалок» ЗАБ-1 по килограмму весом и 8-кг осколочных АО-8М2 до двухтонной АФ-2000. Новинкой стало применение «ротативно-рассеивающих» (кассетных) бомб РРАБ-250, РРАБ-500 и РРАБ-1000. Именно в них загружались боеприпасы калибром менее 50 кг На наружной подвеске ТБ-3РН мог нести и химическое вооружение – четыре выливных прибора ВАП-500 и два ВАП-6К. Для их подвески на балки бомбодержателей крепились специальные мосты.
На 1936 г. ВВС заказали 185 ТБ-3РН. Фактически подготовка к их выпуску велась уже с середины 1935 г. и завод лишь ждал окончательного утверждения эталона. Самолет считался особо важным для ВВС наряду с СБ, поэтому на стол к Апкснису ежедневно ложились сводки о состоянии производства и приемке готовых машин. По состоянию на 1 февраля на заводской аэродром вывели уже 82 ТБ- ЗРН, на которых производили различные доделки. 27 февраля три первых машины облетали, а уже 3 марта они отправились в Монино на войсковые испытания. В тот же день при облете еще одного бомбардировщика, №22686, имело место чрезвычайное происшествие. Самолет загорелся в воздухе – развалился всасывающий патрубок мотора. После этого завод №24 прислал бригаду, которая заменила на всех ТБ-3РН литые патрубки на стальные сварные.
На 3 апреля на войсковых испытаниях в Монино уже находились 14 ТБ-3РН. В ходе испытаний определялся реальный расход горючего и масла, проводились учебные бомбометания различными боеприпасами. На самолетах этой модификации впервые успешно отбомбились с высоты 8000 м. 11 июня один самолет за 13,5 часов прошел по замкнутому маршруту 2870 км, по дороге сбросив на полигоне тонну бомб. Тем самым доказали практическую дальность машины и ее радиус действия, равный 1100 – 1200 км.
ТБ-3РН при любом удобном случае показывали иностранным гостям. В августе 1936 г его продемонстрировали английской и французской авиационным делегациям, а немного позже – военному министру Афганистана. Показывая машину, приврали – сообщили, что дальность полета с двумя тоннами бомб якобы равна 3500 км. Судя по всему, кое- где этому верили, так как в некоторых зарубежных справочниках того времени отмечены именно эти данные. Правда надо сказать, что установке на самолет винтов фиксированного шага англичане удивились – они считали это давно устаревшим.
К 7 июня 1936 г. 18 самолетов отправились в различные строевые части. Приоритет в получении новых бомбардировщиков получили 23-я ТБАБ в Монино, где велись войсковые испытания, и части ВВС ОКДВА. На Дальний Восток самолеты опять гнали по воздуху. Осуществляла это мероприятие сводная эскадрилья 26-й ТБАБ, прошедшая переподготовку в Москве. На одном из последних этапов маршрута, Домно – Хабаровск, произошло несчастье.
Все началось с того, что командирский корабль увяз на взлете. Остальные бомбардировщики полчаса ходили кругами, ожидая, когда он поднимется в воздух. Не дождавшись, заместитель командира повел группу вперед. Командир взлетел только через полтора часа и отправился догонять своих. Тем временем 15 ТБ-3РН шли над облаками на высоте 5600 м. Устав, экипажи спустились в облака. Вот тут все и началось. Как потом выяснилось, даже почти все командиры кораблей не умели по-настоящему летать вслепую. Группа разбрелась. Четыре самолета благополучно сели в Бочкарево, семь – в Хабаровске, причем один из последних – без двух членов экипажа. Молодой штурман на пятом часу полета в «молоке» психанул и прыгнул с парашютом за борт. За ним последовал техник, решивший, что самолет терпит аварию. Этих двоих потом долго искали в тайге.
ТБ-3 (сер. № 22682) был оснащён моторами с турбокомпрессорами и экспериментальными винтами изменяемого шага.
Химическое оружие в 30-х годах занимало достойное место в арсеналах ВВС РККА. Выливные авиаприборы ВАП-500 конструкции ЦАГИ на внешенй подвеске ТБ-3РН.
Реактивные снаряды на балках под консолью ТБ-3.
ТБ-3 с ракетным вооружен нем на испытаниях в НИПАВ.
Из пяти оставшихся самолетов три отыскались на следующий день. Два совершили вынужденные посадки, подломались, но люди были живы. Третий оказался полностью разбитым, а его экипаж погиб. То же произошло ещё с двумя ТБ-3РН, обнаруженными позднее.
Тем не менее, перегонку возобновили, и год спустя на Дальнем Востоке насчитывалось 45 ТБ-3РН. Ими были частично укомплектованы 26-я и 28-я ТБАБ. Самолеты этого типа поступили и в Ленинградский военный округ.
В эксплуатации у ТБ-3РН выявился ряд недостатков. По-прежнему моторы М-34РН страдали от конденсации топлива на холоде. Моторамы оказались недостаточно прочны и их стали заменять усиленными. Расход масла у М-34РН был выше, чем у М-34Р, а объем маслобаков – прежний; в длительных полетах масла не хватало. Из-за того, что все четыре мотора имели одно и то же направление вращения, самолет при взлете разворачивало вправо – трудно было выдержать направление разбега. На ТБ-3РН ставили хвостовые колеса-пневматики; при большом весе они часто лопались на неровных полевых аэродромах.
Подобно «парадной десятке» с моторами М-34РН тоже выпустили три «представительских» машины для заграничных перелетов. На них советская авиационная делегация во главе с Алкснисом летала в Прагу в 1936 г.
Этот год стал последним, когда ТБ-3 строились в больших количествах, однако конструкторы продолжали работать. Ещё в 1935 г на самолете опробовали более мощные моторы М-34ФРН. Этот двигатель также долго доводился и пошел в производство лишь в конце 1936 п Государственные испытания ему удалось пройти только в 1937 г. Выпускались две модификации – М-34ФРНА (с четырьмя карбюраторами) и М- 34ФРНБ (с шестью). Обе имели мощность 1000/1050 л.с.
Эти моторы поставили на часть самолетов выпуска 1937 г. Несколько последних машин получили ещё более мощные М-34ФРНВ (1050/1200 л.с.). На последних сериях ТБ-3 внедрили дополнительные бензобаки в консолях, несколько улучшили аэродинамику, усовершенствовали систему управления и оборудование, в частности, смонтировали переговорное устройство СПУ-7Р и УКВ-радиостанцию РЭС. Машины с моторами М-34ФРН отличались округленными законцовками стабилизатора, развитыми зализами между крылом и фюзеляжем.
В сентябре-октябре 1936 г. на специально подготовленном самолете с тогда еще опытными моторами М-34ФРНВ экипаж А.Б. Юмашева установил четыре мировых рекорда высоты с различными грузами (до 12 т).
На 1937 г. планировали введение полностью закрытой отапливаемой пилотской кабины и верхней огневой точки, оснащённой 20-мм пушкой ШВАК). Параллельно велись работы по ТБ-3Д с дизельными двигателями. Они шли ещё с 1935 г. На один из самолетов установили четыре мотора АН-1А по 900 л.с. Это были четырехтактные V-образные 12-цилиндровые дизели, созданные в ЦИАМ под руководством А.Д.Чаромского. Обладая меньшим расходом горючего, они могли существенно повысить дальность полета. Опытный ТБ-3Д вышел на испытания в начале 1937 г. Расчеты конструкторов оправдались, но надежность дизелей оказалась недостаточной. К тому же в 1938 г. ТБ-3Д потерпел катастрофу, в которой погиб техник самолета и о серии вопрос даже не ставился.
Работали и над улучшением высотных характеристик мотоустановки. Здесь направлений было два. Группа С.А.Трескина из МАИ в 1935 г. создала агрегат центрального наддува АЦН-1. Пятый двигатель М-34, размещенный в фюзеляже, вращал мощный компрессор, подававший сжатый воздух к четырем основным моторам. АЦН-1 построили и успешно испытали на ТБ-3. Недостатком этой схемы являлась громоздкая система длинных воздуховодов. Впоследствии подобную систему АЦН-2 (с приводом от мотора М-103А) использовали на ранних ТБ-7.
Более перспективным направлением считалось применение турбонаддува. Опытный двигатель М-34НФ (985 л.с.) оснащался комбинацией приводного нагнетателя и турбонагнетателя ТК-1. Он тоже испытывался на ТБ-3, но надежность первых турбонагнетателей была весьма невысока. Это определялось, в первую очередь, отставанием отечественной металлургии – не имелось подходящих жаропрочных сплавов. Турбонагнетатели «жили» недолго и постоянно страдали от прогаров коллекторов, обрыва лопаток и разрушения дисков турбин.