Одной из существенных сфер применения АНТ-4 стало их довольно широкое использование в различных программах летных испытаний. Кроме самолета с дополнительными топливными баками, был построен вариант с ускорительными устройствами, которые устанавливались парами сверху и снизу каждой плоскости, по три пары с каждого борта. Эти устройства – предшественники появившихся позднее реактивных ускорителей – сокращали время взлета примерно с двадцати семи до пяти секунд. Кроме того, ускорители использовались в конструкции т.н. «Звена», разработанного инженером НИИ ВВС В.С.Вахмистровым. Он предложил устанавливать на плоскостях дальних бомбардировщиков истребители: при взлете запускались все двигатели, после чего истребители сбрасывали газ и находились в таком режиме до нужного момента. За счет этого значительно увеличивалась дальность полета истребителей при выполнении задач сопровождения: получалось, что бомбардировщик на собственных крыльях доставлял в глубокий тыл противника необходимое ему прикрытие. По окончании выполнения задачи истребители могли снова стыковаться с самолетом- носителем и таким способом вернуться на свой аэродром. Надо сказать, что такая идея отрабатывалась в некоторых странах и раньше, однако в качестве самолета-носителя выступал тогда не самолет, а дирижабль.
Идея Вахмистрова встретила поддержку, и он приступил к ее проработке. Была разработана трехзамковая система зацепления каждого истребителя, в хвостовой части предусматривался защелкивающийся замок, при помощи которого производился захват истребителя в момент возвращения на носитель. Вся конструкция называлась «Звеном». Первым самолетом-носителем стал АНТ-4/ТБ-1, позднее аналогичная конструкция была установлена на АНТ-6/ТБ-3. В ходе первых испытаний системы «Звено-1» на крыло АНТ-4 смонтировали шарнирные пирамиды и стойки, а для установки истребителей (двух АНТ-5/И-4) использовали деревянные аппарели. Самая большая трудность заключалась в том, чтобы добиться разрешения на выполнение первого пробного полета. Первоначально Вахмистров хотел сам подняться в воздух в качестве второго пилота и лично произвести сброс истребителей, но командование аэродрома посчитало, что для такой задачи подходит только профессиональный пилот соответствующего класса. После небольшого спора Вахмистрову с помощником разрешили отправиться в полет в кабине одного из бортстрелков. АНТ-4 пилотировал А.И.Залевский, а пилотами истребителей были В.П.Чкалов, к тому времени – самый известный советский летчик, и А.Ф.Анисимов. Взлет прошел нормально, но затем в результате ошибки второго пилота произошло преждевременное отцепление чкаловского истребителя. Катастрофы удалось избежать только благодаря исключительному летному мастерству Валерия Павловича… Через несколько секунд отделяется и истребитель Анисимова: это доказывает, что отделение истребителей не обязательно должно происходить одновременно. За выполнение задания все три пилота, а также сам Вахмистров были награждены орденами Красной Звезды. Разработку конструкции В.С.Вахмистров продолжает вплоть до 1940 года, однако в результате разгула сталинских репрессий конца 30-х годов многие высокопоставленные сторонники проекта оказываются за решеткой. Репрессии, а также увеличение дальности полета самолетов истребительной авиации постепенно приводят к тому, что Вахмистров отказывается от своих замыслов.
В период 1933-35 гг. бомбардировщик АНТ-4/ТБ-1 использовался для экспериментов по дозаправке в воздухе. Аналогичные работы велись в Англии, где бомбардировщики «Харроу» фирмы «Хэндли Пейдж», переделанные в топливозаправщики, использовались для увеличения дальности полетов самолетов на трансатлантических маршрутах. В Советском Союзе первым заправщиком стал самолет Р-5 конструкции Поликарпова, с которого в воздухе дозаправлялся АНТ-4. Затем уже сам АНТ-4 применялся в качестве самолета-заправщика для воздушной дозаправки поликарповских истребителей И-15 и И-16.