К началу октября 1934 г. на заводе закончили чертежи центроплана и консолей, велась разработка фюзеляжа, шасси и винтомоторной группы. Начали строить макеты новой носовой части, мотогондолы, бомбоотсека и отсека со средней стрелковой установкой.
Возможно, одной из составных частей этой работы являлась полностью экранированная носовая электрифицированная турель под пушку «Эрликон», сделанная в ЦАРИ в июле 1934 г. В январе следующего года ее испытывали на Ногинском полигоне. В дальнейшем предполагалось установить в башне отечественную пушку ШВАК. Но целиком ТК построен не был. Трудно сказать, почему. Возможно влияние на это оказало появление дальнего бомбардировщика ДБ-3, поначалу из-за своей скорости в «крейсерах» не нуждавшегося.
Но если «крейсерские веяния» хоть в какой-то степени несли на себе следы реализма, то в качестве истребителя(!!) представить себе ТБ-3, казалось, было вообще невозможно. И тем не менее, такой вариант существовал. Под руководством П.И.Гроховского бомбардировщик Туполева оснастили пушками весьма приличного калибра. Но предназначались они не для поражения крупных сухопутных или морских целей, как позднее у итальянского Р.108А или американских B-25G и В-25Н, а для атаки крупных соединений бомбардировщиков противника. «Пушечный» ТБ-3, стреляя издалека, должен был разрушить плотный строй взаимно прикрывающих друг друга самолетов врага, чтобы затем их поодиночке могли «перещелкать» «обычные» поликарповские истребители И- 15 и И-16.
В декабре 1934 г под фюзеляж ТБ-3 установили короткоствольную полковую пушку образца 1927 г. Из нее стреляли и на земле, и в воздухе. В середине 1935 г. государственные испытания проходил уже не экспериментальный, а боевой вариант пушечного ТБ-3. В носовой части его фюзеляжа разместили 76-мм зенитное орудие, а в консолях-по одной полковой пушке обр. 1927 г. Орудия заряжались вручную. Толщина крыла позволила укомплектовать крыльевые огневые точки артиллеристами, а потому сложные механические системы дистанционно перезарядки проектировать не потребовались. Вот только обслуживать обе артсистемы им приходилось, стоя на коленях. Для размещения центральной пушки кабину штурмана перенесли в фюзеляж, нос укоротили. Ствол проходил по коридору между сиденьями пилотов и торчал на 250 мм наружу. Наводка могла осуществляться только разворотом всего самолета, поскольку пушки закрепили неподвижно. Стреляли залпом, а сигналом служило загорание на командном щитке красной лампочки. Неприятным сюрпризом оказался разворот самолета за счет несинхронной стрельбы пушек в крыле — один дернул за шнур чуть раньше, другой — чуть позже. Избавиться от этого при подобной схеме управления огнем было невозможно.
Концепция ТБ-3 с пушками имела много противников. Еще в июне 1932 г., когда Гроховский только высказал эту идею, тогдашний начальник НИИ ВВС Бузанов в письме к Алкснису доказывал, что Р-5 с подвеской восьми-десяти реактивных снарядов может сделать то же самое и при этом обойдется вшестеро дешевле, а обладая лучшей маневренностью и меньшими размерами, сам окажется менее уязвимым. Позже альтернативой стали динамореактивные (безоткатные) пушки, монтируемые на истребителях. Работу Гроховского закрыли, а ТБ-3 так и не стал истребителем.
Радиус действия ТБ-3 пытались увеличить дозаправкой его в воздухе. Эти работы осуществлялись под руководством А.К.Запанованного. В качестве танкера выступал Р-5. С него ручной лебедкой выпускался бронированный шланг, на конце которого висела «грузовая груша» — попросту увесистая гиря. Дозаправлялся ТБ-3 с моторами М-17. Приемная горловина на бомбардировщике размещалась на фюзеляже перед турелями Тур-5, от нее шла разводка к крыльевым бакам. Бензин с танкера поступал самотеком — заправщик просто шел несколько выше заправляемого самолета. Доработку Р-5 и ТБ-3 осуществлял завод № 39. Государственные испытания велись в сентябре-ноябре 1933 г. «Грузовую грушу» ловили сразу два стрелка — один не мог удержать бьющийся на ветру шланг. 20 ноября экипаж летчика Иванова впервые успешно дозаправил свой ТБ-3.
Впоследствии бомбардировщик Туполева сам стал танкером. С него заправлялись в полете истребители И-5, а затем и куда более скоростные И-16. На ТБ-ЗР монтировался комплект АЗ-21 весом 59,3 кг, на истребителе — АЗ-22 (примная горловина и автоматический отсекающий клапан).
Всего переоборудовали два ТБ-ЗР, и 22 июля 1936 г. впервые перелили горючее из танкера в И-16. Но дальнейшего продолжения эти интереснейшие работы в то время не получили.
ТБ-ЗР также переделывался в танкер для переброски горючего сухопутным войскам. В бомбоотсеке установили два металлических бака Б-1000, вмещавших 2140 л топлива. На земле насосы наполняли их за 10–12 минут. На испытаниях самолет садился на полевые площадки и сливал бензин в баки танков БТ-7 и заправщиков на шасси ЗиС-6. В ходе различных учений и реальных боевых действий ТБ- 3 не раз доставляли горючее войскам. Но для этого использовали либо стандартные бочки, либо специальную тару — баки ПДББ, сбрасывавшиеся с парашютами.
«Звено-2А» с тремя истребителями И-5. Хорошо виден помост для накатки самолётов на крыло бомбардировщика.
Идея самолета-авианосца в нашей стране неразрывно связана с именем В.С.Вахмистрова. В 1931 г. он выдвинул идею «авиаматки» — бомбардировщика, несущего на себе истребители. Последние могли защитить своего носителя и другие самолеты группы там, куда истребители не могли бы добраться самостоятельно — не хватило бы горючего. Свою идею Вахмистров изложил в письме, 1 июня 1931 г. направленном в УВВС.
Уже в декабре 1931 г. совершил первый полет ТБ-1, на крыльях которого размещались два истребителя И-4. Система получила название «Звено-1». В 1932 г. начались работы по использованию в качестве носителя ТБ-3. Проект назвали «Звено-2А». Четырехмоторный бомбардировщик должен был нести три истребителя И-5 — два на крыльях и третий на фюзеляже. Первые полеты совершили только с двумя истребите лями на крыльях, позднее добавили еще один. Затаскивали И-5 по специальным мосткам, причем самой большой головной болью являлось водружение третьего самолета на фюзеляж. На ТБ-3 сделали специальные захваты для колес истребителей с замками. Носитель взлетал при помощи только своих собственных моторов, истребители же обычно запускали двигатели только перед отцепкой. Только раз, чтобы замерить максимальную скорость, в воздухе работали моторы одновременно всех четырех машин. Кончилось это тем, что кок И-5, стоявшего на фюзеляже, оторвался и пролетел у борта пилотской кабины ТБ-3, проделав в плоскости большую дыру.
Система считалась очень перспективной. Подразделения «звеньев» хотели разместить в первую очередь на Дальнем Востоке для прикрытия возможных налетов на территорию Кореи и Японии. Планировалось держать на аэродромах в Воздвиженке и Хабаровске по меньшей мере четыре таких эскадрильи.
Трудности с погрузкой истребителей на ТБ- 3 привели к идее подвешивать их под носитель на специальных фермах. Впервые этот вариант опробовали на «Звене-3». Биплан было труднее подвесить, чем моноплан, поэтому под крыльями бомбардировщика разместили два истребителя И-Зет, вооруженных динамо- реактивными пушками. Первый полет «Звена-3» закончился катастрофой. Ошибка пилота И- Зет, Короткова, привела к тому, что его самолет после взлета не зафиксировался должным образом и начал болтаться, раскачивая и ТБ-3. Кончилось тем, что оборвалось сначала одно крепление, затем другое, и на посадке истребитель оторвался; Коротков погиб.
Несмотря на эту неудачу, Вахмистров продолжал совершенствовать свою конструкцию. Теперь он предложил не только выпускать, но и принимать самолеты в воздухе. Для этого между стойками шасси закрепили ферму-трапецию. Истребитель И-Зет оснащался сверху крюком на раме. На аэродроме его подкатывали между тележками ТБ-3, специальный механизм опускал трапецию и затем поднимал ее вверх вместе с истребителем. В воздухе трапеция опускалась опять, и И-Зет отцеплялся от носителя. Перед приемом истребителя ее выпускали вновь, и задачей пилота маленького самолета было точно попасть крюком на трубу трапеции. После долгих тренировок в апреле 1934 г. удалось успешно выпустить и опять подхватить истребитель. Этот вариант получил название «Звено-5».