Для подготовки воздушных стрелков и штурманов предусмотрели верхнюю ограниченно подвижную стрелковую установку с фотопулеметом ПАУ-22 и пулеметом УБТ калибра 12,7 мм (боезапас 60 патронов), «защищавшую» задний сектор верхней полусферы. Для отработки упражнений, связанных со «стрельбой» вперед, имелся еще один ПАУ-22.
Первую опытную машину переделали из серийного Ту-2С. Заводские испытания (ведущий – летчик Н.Д. Фиксон), завершившиеся в июне 1946 года, показали, что самолет по основным данным почти соответствует заданию. Исключение составили лишь максимальная скорость (меньше на 3 км/ч) и завышенная на 10 км/ч посадочная скорость. Подвеску под крылом ограничили двумя бомбами по 100 кг или четырьмя по 50 км. Этого было вполне достаточно для обучения курсантов.
Видимо, недостаточными оказались запасы путевой и продольной устойчивости, из-за чего на первой серийной машине завода № 381 удлинили носовую часть фюзеляжа на 300 мм, а моторы сместили вперед на 100 мм. Доработали маслосистему, перенеся маслобаки в отсеки между моторами и противопожарными перегородками. Одновременно двухлопастные винты ВИШ-111В-36 заменили на ВИШ-111В-38 диаметром, возросшим до 3,45 метров. В итоге задняя центровка не превышала 32,3% средней аэродинамической хорды.
В таком виде машина прошла в мае заводские, а в октябре 1947 года – государственные испытания. По общему мнению летчиков-испытателей, самолет отличался хорошей устойчивостью и управляемостью и мог совершать горизонтальный полет на одном двигателе.
Весной 1947 года заказчик пожелал, чтобы УТБ решал задачи пикирующего бомбардировщика. В требованиях к этой машине, изложенных в мартовском 1947 года постановлении правительства, отмечалось, что скорость на высоте 2000 метров должна быть не менее 370 км/ч, время набора 3000 метров – 8 минут, потолок – 6000 метров, дальность – 1000 км, а разбег и пробег в пределах 460 и 375 метров соответственно.
С этой целью на четвертый серийный УТБ после контрольных испытаний в НИИ ВВС (июль – август) на заводе № 134 установили крыльевые тормозные решетки и автомат пикирования с реле времени, позволявший задавать углы пикирования от 40 до 80 градусов. При этом скорость доходила до 630 км/ч с потерей 1700–2000 метров высоты, а самолет выходил в горизонтальный полет на 600 метрах. Установили новые маслобаки для обеспечения работы двигателей при отрицательных перегрузках.
В конце лета 1948 года модифицированный УТБ вновь поступил в НИИ ВВС. Ведущими по нему были инженер В. Моложавцев, летчики И. Крутиков и Д.Гапоненко. Облетали машину летчики В.Жданов, М.Субботин, И.Пискунов, Соколов и штурман Шишков.
В ходе государственных испытаний, завершившихся в начале июля 1948 года, подтвердилась техническая дальность 1025 км в полете по маршруту Чкаловская – Орел – Чкаловская. По-прежнему в «пилотском» варианте был невозможен визуальный вывод самолета на цель (инструктор сильно ограничивал штурману обзор вперед), и все надеялись на летчика. Машина так и осталась в единичном экземпляре.
В заключении НИИ ВВС отмечалось, в частности, что «самолет испытания не выдержал, так как маслосистема на пикировании при отрицательных перегрузках не обеспечивает необходимое давление масла в моторах и не выполняются требования ВВС к пикирующему учебно-тренировочному бомбардировщику».
Как уже отмечалось, в УТБ переделывали серийные Ту-2, поступавшие из строевых частей. В 1947–1949 годах в общей сложности переоборудовали 176 машин.
УТБ эксплуатировался не только в училищах, но и в строевых частях. Впоследствии круг задач, решавшихся с помощью этого самолета, расширился. Их использовали в качестве буксировщиков конусов-мишеней, предназначавшихся для тренировки летчиков-истребителей. Часть машин передали в ГВФ для подготовки пилотов гражданской авиации.
Следует отметить, что УТБ пользовался популярностью среди летного состава, и машины вырабатывали свой ресурс до предела. Например, в 1951 году одну сильно изношенную машину временно передали в МАП. Определив техническое состояние, моторостроительный завод предложил ее списать. Но владелец, узнав об этом, запротестовал, обвинив последнего в негосударственном подходе, и потребовал отремонтировать УТБ. С наступлением эры реактивной авиации функции УТБ прочно и на десятилетия перешли к учебному самолету Ил-28У.
Летающие лаборатории
Одну машину переделали в лабораторию по испытанию и доводке первых турбореактивных двигателей. Но век ее оказался коротким. В сентябре 1947 года, не налетав и года, при выполнении аварийной посадки в районе Мурома летающая лаборатория потерпела катастрофу, унеся жизни летчика И.Ф.Якубова и инженера Д.А.Гинзбурга.