В самолете устанавливали выдвижные вращающиеся башни в центроплане, бомбодержатели кассетного и балочного типа для 3000 кг различных бомб массой до 1000 кг и радиооборудование. Стрелковое вооружение — турель Тур-6 с одиночным или спаренным пулеметом ДА в носу фюзеляжа, две крыльевые башни с одним ДА, перекатываемые турели Тур-5 за крылом с одним или с двумя ДА. Боекомплект — 100 дисков по 63 патрона. Экипаж состоял из восьми человек: командир корабля, второй летчик, штурман-бомбардир, два воздушных стрелка, старший техник (моторист), два младших техника — они же стрелки в башнях.

Правда, на первых серийных машинах многое из вышеперечисленного оборудования отсутствовало: не хватало прицелов, бомбодержателей, пулеметов, только налаживался выпуск радиостанций. Поэтому самолеты сдавали войскам «условно» — под гарантийное письмо завода с общением выслать все недостающее по мере поступления. На 1 января 1933 года в боевом составе ВВС числилось 144 ТБ-3, в течение года было произведено еще 307 экземпляров.

На земле воздушный корабль обслуживали 5 механиков. Заправка только одного бензобака емкостью 1950 литров занимала три с половиной часа, а таких бензобаков имелось четыре. В систему охлаждения каждого мотора надо было влить 10–12 литров воды. Для наземного обслуживания планировалось разработать серию специализированных автомашин и прицепов, но на практике, вспомогательная техника, как правило, отсутствовала. К примеру, «в комплекте» с бомбардировщиком, для перемещения самолета по аэродрому, полагался трактор «Коммунар». В реальной жизни эту задачу решали 40–50 красноармейцев под руководством старшего техника.

Вопрос о необходимости модернизации ТБ-3 возник почти сразу после испытаний опытного образца. Предусматривалась замена двигателей М-17 на более мощные, усиление бомбардировочного и оборонительного стрелкового вооружения. Увеличивалась прочность самолета, скорость полета и потолок.

К этому времени в Центральном институте авиационного моторостроения бригада А.А. Микулина доводила и внедряла в серийное производство на московском заводе №-24 первый, действительно отечественный, двигатель жидкостного охлаждения М-34, созданный на базе BMW VI. Признаюсь, чем М-34 принципиально отличался от «папы», я так и не разобрался: те же габариты, те же 12 цилиндров того же диаметра, тот же ход поршня и угол развала. Разве только, что в микулинском моторе: «Блоки цилиндров, верхняя и нижняя половина картера стягивались шпильками в единую силовую схему, свободную от действия растягивающих сил», и вся «оригинальная» конструкция была «подчинена идее жесткости». При этом сухой вес вырос от 540 кг до 670 кг, а номинальная мощность с 500 л.с. до 750 л.с.

За создание М-34 A.A. Микулина наградили персональным автомобилем и назначили главным конструктором завода №-24, а двигатель впредь велели именовать АМ-34.

Испытания показали, что с новыми двигателями бомбардировщик имел лучшую скороподъемность, но максимальная скорость неожиданно снизилась. В сентябре 1933 года на ТБ-3 установили редукторные М-34Р с новыми винтами диаметром 4,4 м. Кроме того, изменили хвостовую часть, где была установлена еще одна огневая точка. После проведения испытаний вариант ТБ-3–4М-34Р был принят к серийной постройке как эталон на 1934 год. Несмотря на возросшую полетную массу, летные характеристики самолета улучшились.

Часть машин специалисты Остехбюро упорно и безуспешно пытались переделать в телемеханические. Только на этот раз, подлетая к цели, пилот «воздушного брандера» не выбрасывался с парашютом, а пересаживался в подвешенный под брюхом ТБ истребитель. Под проекты предприимчивого и пробивного грузина, до революции конструировавшего сейфы и механические игрушки, малограмотные «легендарные полководцы», завороженные перспективами телемеханической войны, в которой врага будут громить красные телетанки, радиоуправляемые аэропланы, бронепоезда, торпедные катера и подводные лодки «волнового управления», дистанционно наводимые торпеды и плавающие мины, самовзводные пулеметы, огнеметы и газометы, выбивали миллионов золотых рублей даже в самые голодные времена. В распоряжение Остехбюро в Москве и Ленинграде были предоставлены лаборатории и конструкторские бюро с мощной производственной и экспериментальной базой, мастерские, заводы, самолеты и ангары, целая флотилия судов, собственная радиостанция и собственный аэродром, база под Севастополем; имелась возможность привлекать к работе любых специалистов. Жаль только, что в войне с немцами почти ничего из гениальных изобретений В.И. Бекаури не пригодилось, а то, что пригодилось, никакого влияния на исход боевых действий не оказало, кроме, пожалуй, средств спецсвязи.

Работы по модернизации ТБ-3 продолжались и в 1935 году: на самолете установили новые двигатели М-34РН (с центробежными нагнетателями) мощностью 840 л.с. В ходе последнего этапа совершенствования бомбардировщик оснастили форсированными двигателями М-34ФРН (950 л.с. на высоте 5000 м), позволившими выжать 288 км/ч, ввели консольные топливные баки, подкрыльевые башни заменили «кинжальной» установкой в люке фюзеляжа, улучшили местную аэродинамику, произвели изменения в органах управления. В таком виде в 1936–1937 годах завершился серийный выпуск. От машины взяли все. Для кардинального улучшения характеристик требовалось переходить на новый тип самолета с гладкой обшивкой и убирающимися в полета шасси.

ТБ-3 у нас называют «первым в мире свободнонесущим монопланом-бомбардировщиком с двигателями, установленными в ряд по размаху в носке крыла». Правда, первым был все тот же Гуго Юнкере. Просто немцам запрещалось строить военные машины и свободнонесущий цельнометаллический моноплан с четырьмя двигателями мощностью по 800 л.с., установленными в ряд в толстом крыле, поднявшийся в воздух в ноябре 1929 года, служил У них пассажирским самолетом. А вот японцы, купив лицензию на «Юнкере» G38, превратили его в полноценный бомбовоз. Он весил 23 000 кг, летал со скоростью 200 км/ч, дальность полета достигала 3400 км, потолок — 3700 м. Вооружение состояло из 11 турельных пулеметов и 3000 кг бомб. Экипаж 10 человек. В течение 1931–1934 годов фирма Мицубиси поставила военно-воздушным силам «милитаристской» Японии шесть тяжелых бомбардировщиков марки Ki-20. В миролюбивой Советской стране ТБ-3 на пике производства делали по штуке в день и до весны 1938 года построили 818 самолетов (каждый стоил четверть миллиона рублей) различных модификаций. Заметим, что это — результат недовыполнения стахановских планов, вообще-то намечалось иметь 1440 «воздушных линкоров».

Крупносерийная постройка самолетов такого класса потребовала совершенно новой организации производства, освоения новых технологических процессов и формирования отряда высококвалифицированных инженеров и рабочих.

Конструкторы научно-технического отдела завода №-67 в 1931–1933 годах разработали линейку фугасных авиабомб (ФАБ) калибра 50, 100, 250, 500, 1000 и 2000 кг. Началось производство осколочной ОАБ-20 и бронебойной БРАБ-220, переделанных из артиллерийских снарядов.

С принятием ТБ-3 на вооружение советских ВВС началось формирование дальней бомбардировочной авиации.

Самолет принимал участие во многих боевых делах, но самой эффектной страницей в биографии ТБ-3 был налет группы бомбовозов с аэродрома Ханькоу на остров Кюсю, состоявшийся 20 мая 1938 года. Шестерка ТБ-3 с китайскими опознавательными знаками, форсировав Восточно-Китайское море, гордо проплыла ранним утром над портами и военно-морскими базами Сасебо, Нагасаки, Фукуока и, сбросив на головы остолбеневших японцев миллион листовок, «клеймящих позором милитаристов, развязавших войну в Китае», гордо удалилась. Согласно официальной версии, эскадрильей командовал герой китайского народа подполковник Сюй Хуаншэнь, в миру старший советник по авиации, чистокровный хохол, комдив Г. И. Тхор. Пощечина, отвешенная Токио, прозвучала на весь мир. По окончании операции военный министр гоминьдановского правительства объявил, что самолеты китайских ВВС ни в чем не уступают японским и в состоянии разбомбить любые цели на любом из островов Японского архипелага.