В соответствии с указанием президента Академии артиллерийских наук в декабре 1946 года была создана комиссия для составления плана НИР на 1947–1948 годы и плана развертывания отделов, лабораторий и экспериментальных мастерских. Один только план научно-исследовательских работ института на 1947 год включал 37 тем, по которым к концу года было выпущено 146 отчетов. Выпуск такого большого количества отчетов, в основном обзорного характера, позволил командованию быстро включить весь коллектив сотрудников в исследовательскую работу.

Одним из первых результатов научно-исследовательских работ явилось обоснование в 1947–1948 годах системы вооружения полевой реактивной артиллерии.

Алексей Иванович писал: «Преодолевая косность и консерватизм некоторых старших артиллерийских начальников, я и многие другие генералы и офицеры — бывшие командиры ГМЧ, начальники оперативных групп ГМЧ фронтов (Кулешов, Никольский, Вознюк и др.) вели большую работу и борьбу с их консервативными взглядами, спорили, доказывали необходимость дальнейшего развития реактивной артиллерии. Консерватизм некоторых артиллерийских и общевойсковых военачальников, к нашему счастью, не помешал ЦК КПСС и правительству правильно определить возможные перспективы развития ракетного вооружения, роль и значение этого нового вида оружия в будущей войне».

В связи с постановкой в институте поисковых научно-исследовательских работ по созданию новых типов пусковых установок для полевой реактивной артиллерии возникла необходимость проведения исследований в области газовой динамики свободных газовых струй реактивных снарядов. Проведенные газодинамические исследования под руководством члена-корреспондента Академии артиллерийских наук Ф. И. Франкля позволили создать упрощенную методику расчета параметров сверхзвуковых высокотемпературных газовых струй реактивных снарядов и их действия на плоские преграды. Были также разработаны тактико-технические требования Министерства вооруженных сил на полевые реактивные системы и снаряды. В процессе выполнения этих научно-исследовательских работ впервые были показаны возможности разработки топлив на основе перхлоратных солей, что послужило толчком к развертыванию работ над смесевыми твердыми топливами, без чего было бы невозможно в будущем создание твердотопливных ракет большой дальности. Вообще, 4-й НИИ был одной из первых организаций, начавших теоретические и экспериментальные исследования по определению возможности и путей создания баллистических ракет большой дальности на твердом топливе. Решались многие проблемы из этой области: отрабатывались рецепты смесевых твердых топлив, заряды внутреннего горения, теплозащитные и эррозионно-стойкие материалы.

Во время руководства институтом проявились незаурядные организаторские способности Алексея Ивановича. Прибыв в НИИ-4, он грамотно организовал прием, подбор и расстановку научных кадров. В короткие сроки были сформированы научные и обслуживающие подразделения, организована финансово-хозяйственная деятельность института. Период становления НИИ-4 был сокращен до полутора — двух лет благодаря энергичным действиям Нестеренко и его заместителей и помощи со стороны руководства Министерства вооруженных сил.

В конце 1940-х — начале 1950-х годов, как и в последующие периоды, достижения института в выполнении научно-исследовательских работ были связаны с именами многих выдающихся ученых, работавших в НИИ-4. Кроме заместителей Нестеренко Якова Борисовича Шора и Георгия Александровича Тюлина, можно назвать Михаила Клавдиевича Тихонравова, Николая Гавриловича Чернышева, Павла Ефимовича Эльясберга, Георгия Степановича Нариманова и др.

В подборе кадров для института была немалая заслуга Нестеренко. Так, Алексей Иванович узнал, что в НИИ-1 Министерства авиационной промышленности работает группа М. К. Тихонравова, которая занимается созданием ракет дальнего действия и использованием их для полета человека в космос. Он пригласил к себе Тихонравова и после беседы предложил всей группе перейти в НИИ-4, при условии, что она будет работать по профилю института. Одновременно договорились, что Нестеренко не будет препятствовать работе группы сверх плана над своей темой.

С 1947 года под руководством Михаила Клавдиевича Тихонравова проводились исследования возможных путей развития компоновочных схем ракет большой дальности. В 1947–1951 годах Тихонравов сформировал коллектив сотрудников-энтузиастов исследований по созданию межконтинентальных ракет и освоению космического пространства. Сначала в него входили Игорь Марианович Яцунский и Глеб Юрьевич Максимов. В 1950 году к работе в группе были привлечены также Лидия Николаевна Солдатова, Анатолий Викторович Брыков, Григорий Макарович Москаленко, Игорь Константинович Бажинов, Олег Викторович Гурко. С группой Тихонравова взаимодействовали такие ученые, как Владимир Николаевич Галковский и Ян Иванович Колтунов. В 1951–1957 годах в НИИ-4 работал будущий космонавт Константин Петрович Феоктистов.

Эти специалисты впервые в стране нашли принципиальные решения всех основных вопросов, связанных с созданием межконтинентальной ракеты, ракеты-носителя и искусственного спутника Земли. С полным основанием можно считать, что результаты выполненных в НИИ-4 в конце 1940-х — начале 1950-х годов исследований явились теоретическим фундаментом для дальнейших работ по освоению космического пространства.

Для читателя будет интересным тот факт, что еще в 1946 году появилась докладная записка М. К. Тихонравова Сталину и министру авиационной промышленности М. В. Хруничеву о том, что есть возможность запуска в космос человека. 20 июня 1946 года Хруничев написал Сталину о предложениях М. К. Тихонравова и Н. Г. Чернышева: