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.
Есть странность в том, что подробности этого рейда до сих пор неизвестны. Может, это были не китайские самолеты, может, не ТБ-3, а возможно, и взлетали они не с китайского аэродрома…
В то время считалось, что для бомбардировщика скорость не столь важна, главное — чтобы бомб брал побольше. Поэтому военные товарищи требовали от конструкторов разработки бомбовозов с грузоподъемностью в 25 тонн и размахом крыльев порядка 100 м. Развитие сверхтяжелых самолетов шло по пути увеличения размеров при неизменной общей схеме и почти постоянной удельной нагрузке на крыло. В 1933 году путем удвоения площадей и массы Туполев из ТБ-3 создал шестимоторный «линкор 1 класса» ТБ-4 (АНТ-16), весивший 33 тонны. Он должен был нести в бомбовых отсеках до 10 тонн бомб в разных комбинациях, летать на высоте 7000 м, развивать скорость 250 км/ч. Экипаж состоял из 12 человек.
«ТБ-4 заставил забыть и о характере, и о привычках, — вспоминал летчик-испытатель П. Стефановский. — Он просто потрясал! Человек среднего роста свободно расхаживал не только в фюзеляже, но не пригибался и в центральной части крыла. Оборудование чудовищной машины напоминало небольшой промышленный комбинат. Имелась даже самая настоящая малогабаритная электростанция для автономного энергопитания всех самолетных агрегатов».
Самолет, «в виду неудовлетворения тактико-технических требований», на вооружение не приняли, но затею не оставили.
Дальнейшим развитием был гигантский аэроплан АНТ-20 «Максим Горький». По конструкции это был ТБ-4, еще более выросший в размерах. Его максимальный взлетный вес составил 53 тонны, размах крыла — 63 м, длина фюзеляжа — 32,5 м. На самолете было установлено восемь двигателей М-34ФРН мощностью по 900 л.с. Причем два двигателя вынесли в тандемную установку, располагавшуюся сверху фюзеляжа. Экипаж состоял из 8–10 человек, комфортабельный пассажирский салон был рассчитан на 72 человека. Жилые помещения занимали площадь более 100 кв. м. В военном варианте предусматривалось следующее вооружение: шаровая башня с пушкой «Эрликон» и перекатная турель под ту же пушку; Тур-5, Тур-6 (хвостовая) и кинжальная установка — с пулеметами ДА, предкрыльные и закрыльные башни с пулеметами ШКАС, авиабомбы. К счастью, построили всего два экземпляра.
Практически одновременно в 1933 году самобытным авиаконструктором К.А. Калининым в Киеве был построен самолет-гигант К-7, представлявший собой эллиптическое крыло толстого профиля размахом 53 м и площадью 452 кв. м, от которого шли две хвостовые балки, несущие горизонтальные и вертикальные оперения с механизмом поворота. В крыле располагались помещения для людей и грузов. На самолете установили семь двигателей М-34.