Работа в этом направлении началась еще летом 1958 года после выхода июльского постановления правительства. Эскизный проект будущего Ту-95КД заказчик не рассматривал, но в декабре 1959 года главком ВВС утвердил его макет. Первый самолет оборудовали системой дозаправки топливом в полете по схеме «Конус» в 1960 г. Им стал серийный Ту-95К (заводской № 9802103, выпущен в сентябре 1959 г.). Машину укомплектовали телескопическим топливоприемником и аппаратурой радиовстречи «Приток». При этом вес пустого самолета возрос более чем на 1300 кг.

Общий объем заправляемых баков позволял принимать до 60 000 литров горючего (49 800 кг при плотности 0,83 кг/л).

Спустя год, с 5 июля по 8 сентября, самолет прошел заводские испытания, и после доработок, занявших меньше месяца, 30 октября начались государственные испытания. Ведущими по машине были инженер Е.А. Рогожин и летчик Г.М. Бархатов. При дозаправке от танкера М-4 на высотах 7000–9000 м и приборной скорости 470–510 км/ч Ту-95КД получал за 18 минут до 30 700 кг горючего. При одной дозаправке на пути к цели радиус действия достигал 8300 км, а при двух (вторая на обратном пути) – 9300 км. Практическая же дальность Ту-95К, проверенная на машине № 2004 с 5-процентным остатком топлива, не превышала 13 400 км, радиус, соответственно, – 6700 км.

Ту-95К – экспонат музея Дальней авиации в Дягилево

Серийные самолеты, оборудованные устройствами дозаправки топливом в полете, получили обозначение Ту-95КМ (изделие «ВКМ»). К началу 1960-х годов самолетами Ту-95 были укомплектованы пять полков, дислоцировавшихся, в частности, в Моздоке (Северная Осетия), Семипалатинске (Казахстан), Узине (Украина) и Украинке (Дальний Восток).

В 1962 году обновили и расширили состав оборудования Ту-95КМ. Несмотря на это, низкая эффективность К-20 и большая стоимость (по сравнению с баллистической ракетой Р-7А) способствовали быстрому моральному старению комплекса. Под обозначением Ту-95КМ он прослужил до середины 1970-х годов. Серийное производство Ту-95К началось в 1958 году и продолжалось до середины 1960-х годов. Только за первые пять лет завод № 18 сдал заказчику 57 ракетоносцев.

В дальнейшем большинство этих самолетов доработали в вариант Ту-95КД (изделие «ВКД»), сохранявшийся на вооружении до середины 1980-х годов, после чего часть самолетов переоборудовали в учебные, а остальные – утилизировали.

Еще в начале 1960-х годов, после пресечения полета американского летчика Ф. Пауэрса, стало ясно, что стратосфера больше не является защитой для бомбардировщиков от средств ПВО. В 1964 году проводились исследования по определению возможности низковысотных полетов (от 50 до 200 метров днем и от 200 до 300 метров ночью), в том числе и на Ту-95КМ, позволившие расширить диапазон его боевого применения машины.

В июне 1964 года, после удачных пусков крылатой ракеты Х-22, по инициативе ГКАТ ОКБ-156 поручили доработать системы Ту-16К-10 под ракету К-10С, а Ту-95К-20 – под Х-22. Последний комплекс получил предварительное обозначение К-95. При этом оговаривалось использование и ракеты Х-20М.

При скорости и потолке Х-22, почти в два раза больших, чем у предшественницы, предельная дальность пуска сокращалась на 100 км (радиус действия комплекса 7000 км). Но при этом снижалась уязвимость ракеты от средств ПВО и расширялись возможности комплекса. Если Х-20М могла применяться лишь по площадным целям, то теперь комплекс перенацелили на борьбу с авианесущими ударными группировками (ракета Х-22ПГ) и РЛС (ракета Х-22ПСИ). Однако работа сильно затянулась, и лишь в конце 1970-х годов появилась реальная возможность переоснащения носителей, причем ограничились ракетами Х-22Н и Х-22НА.

Крылатая ракета Х-20М в экспозиции музея Дальней авиации в Энгельсе

Самолет Ту-95К-22 с ракетами Х-22 под крылом в экспозиции музея Дальней авиации в Энгельсе

На Ту-95К-22 (изделие «ВК-22»), кроме замены оборудования, переделали отсек вооружения, укоротив его с 14,6 до 12 метров, но сохранив подвеску для Х-20М. Две Х-22 (весившие меньше, чем одна Х-20М) размещались на балочных держателях по бокам фюзеляжа под центропланом. Из оборонительного вооружения осталась лишь нижняя фюзеляжная артиллерийская установка ДТ-Н12, при этом на месте кормовой установки расположили станцию активных помех. В таком виде в октябре 1975 года носитель совершил первый полет, а спустя восемь лет комплекс приняли на вооружение, и он прослужил до середины 1990-х, уступив место Ту-95МС. Последние два Ту-95К-22, хранившиеся в Энгельсе, в 1999 году решили не сдавать в металлолом, а восстановить и один из них довести до уровня Ту-95МС, а другой – переделать в разведчик.

Ввиду малочисленности самолетов-разведчиков Ту-95РЦ, ракетоносцы, Ту-95К кроме своего прямого назначения, нередко применялись для разведки в отдаленных районах Мирового океана.

Попробовали Ту-95 укомплектовать ракетами КСР-5, но доработали лишь одну машину.

Разработка сверхзвуковой крылатой ракеты (изделие 3М25 «Метеорит») с дальностью полета 5000 км началась НПО «Машиностроение» (МОМ) в соответствии с декабрьским 1976 года постановлением правительства.

Для подводных лодок – 3М25 «Метеорит-М»; для вооружения бомбардировщиков – изделие 255 «Метеорит-А» (отсюда и название самолета-носителя Ту-95МА); для наземного комплекса – «Метеорит-Н».

С 1983 года изделие 255 проходило испытание на полигоне в Ахтубинске. Пуски с Ту-95МА по трассе Грошево–Тургай–Терехта–Макат–Сагиз–Эмба. Как в случае с ракетой «Метеорит-Н», первый пуск с Ту-95МА 11 января 1984 года был неудачен. Ракета полетела совсем «не в ту степь» и на 61-й секунде самоликвидировалась. Следующий воздушный старт, состоявшийся 24 мая, был с тем же результатом. В конце 1984 года работы по «Метеориту-А» прекратили. К тому времени на вооружение была принята дубнинская крылатая ракета Х-55, правда, с дозвуковой скоростью.

В ряду многочисленных модификаций Ту-95 стоит носитель сверхзвукового пилотируемого бомбардировщика «РС» (рекорд скорости, изделие «202»). В 1954 году П.В. Цыбин и Рахматулин предложили создать «РС» с прямоточными ВРД. ЦАГИ поддержал предложение и изыскал возможность создать конструкторскую группу, впоследствии выросшую в ОКБ-256.

В связке с носителем получалась расчетная дальность 14 000 км. При этом «РС» доставлял к цели бомбу калибра 1000 кг. Его скорость оценивалась в 3000 км/ч на высоте 18–25 км. Для спасения пилота предусматривалась отделяемая кабина. В 1956 году запланировали переоборудовать один из Ту-95 в носитель этого изделия, весившего 26 тонн, и предъявить его на летные испытания в июле того же года.