Нестеренко был прогрессивным человеком и видел перспективы нового дела. Он участвовал в работах по исследованию зенитных управляемых снарядов для ПВО страны, по спуску и мягкой посадке на землю с помощью парашютно-тормозной системы груза, сбрасываемого с самолета (Сталинская премия 3-й степени, 14.3.1951).
Несмотря на то что деятельность А. И. Нестеренко в НИИ-4 всеми оценивалась положительно, в сентябре 1951 г. он был снят с должности за то, что, как вспоминал генерал-полковник А. А. Максимов, написал в ЦК докладную записку, где назвал работу группы С. П. Королева по созданию ракет типа Фау-2 экономической диверсией. Он мотивировал это тем, что Фау-2 в войне никакой погоды не сделали из-за низкой точности. Наши ракеты того времени имели точность 8 км по дальности и 4 км по боковому отклонению. Так что докладная имела достаточные основания. Главное же было в том, что многие испугались репрессий и расценили этот поступок как предательство. И несмотря на то, что Алексей Иванович всей своей последующей жизнью доказал беззаветную преданность ракетам, ему не простили его ошибки даже через много лет. Когда Совет ветеранов Байконура вместе с другими организациями к 70-летию А. И. Нестеренко вышел с ходатайством о присвоении ему звания Героя Советского Союза, которое он безусловно заслужил более многих околокосмических героев из Москвы (имевших, кстати, ошибки много крупнее, и к тому же небескорыстные), обращение оставили без последствий.
После института генерал-лейтенант А. И. Нестеренко был заместителем командующего артиллерией Белорусского военного округа (1.1951—1.1952), начальником ракетного факультета академии им. Ф. Э. Дзержинского (1.1952—3.1955). Возглавлял Государственную комиссию по испытаниям ракеты Р-11 на высококипящем окислителе с дальностью полета 270 км и точностью 1,5 км по дальности и 0,75 км в боковом направлении (апрель 1953—13 июля 1955). Когда маршал артиллерии М. И. Неделин предложил ему стать начальником вновь формируемого полигона в Тюра-Таме (НИИП-5), он без колебаний согласился, поменяв свое благополучное и прочное московское генеральское существование на неустроенность и трудности строительства на пустом месте в адских климатических условиях.
Алексей Иванович Нестеренко так описывает свои первые впечатления от посещения места строительства полигона в начале июня 1955 г.: «Как только приземлились на полевом аэродроме Джусалы и вышли из самолета, нас обдало жаром раскаленного степного воздуха, как будто мы попали в нагретую печь. От непривычно нагретого воздуха захватывало дыхание, а яркое солнце, как мощный прожектор, ослепляло глаза. Мы вспомнили про темные очки, которых, к сожалению, у нас не было. Остроумный адъютант маршала М. И. Неделина сказал: «Это вам не финская баня, а среднеазиатская пустыня».
Из поселка Джусалы специальной железнодорожной летучкой, состоящей из тепловоза и двух пассажирских купейных вагонов, мы поехали на станцию сосредоточения строителей. Там нашу летучку поставили на временный железнодорожный путь. В металлических, раскаленных солнцем вагонах мы обливались потом и жадно вдыхали воздух, как рыбы, выброшенные на берег. Страшно хотелось пить. Казалось, без привычки невозможно утолить жажду. Чтобы как-то облегчить возможность пребывания в вагонах, где можно было укрыться от палящего солнца, генерал Гайдуков приказал строителям цистерной подвезти воду к вагонам и поливать крыши вагонов водой, особенно ту часть вагона, где находился маршал. Но так как насосов не было, эту процедуру строители выполняли вручную ведрами. Эффект незначительный, но все-таки морально было легче. Тем более что эта примитивная операция производилась под непосредственным руководством генерала Гайдукова.
Только после заката наступала прохлада, которая способствовала быстрому восстановлению сил и энергии. Однако в ночное время нас одолевали другие неприятности — это надоедливые мухи, комары и москиты, мелкие и жгучие твари.
От пребывания дня в районе строительства полигона у нас сложилось удручающее впечатление о местности и условиях жизни будущего испытательного центра. Окинешь вокруг взглядом — и видишь бескрайнюю пустынную степь, покрытую скудной, выжженной солнцем травой. Сама пустыня испещрена такырами, солончаками и кое-где песчаными барханами. Пейзаж пустыни дополнялся множеством сусликов и кругом — ни одного дерева. На станции, где мы базировались, было только два кирпичных двухэтажных здания и с десяток полуоблупленных глинобитных хибар с плоскими крышами. У некоторых из них стояли юрты. Кое-где можно было видеть исхудалых ишаков да небольшие группки коз или овец. Окинешь взором все это, и грусть безысходная овладевает тобой».