Практика проектирования самолета под еще не существующие моторы, безусловно, являлась порочной. Но для грандиозных советских планов она была нормой – поэтому их постоянно приходилось перелицовывать, подгоняя под фактическую ситуацию. Хотелось получить все побыстрее и с самой лучшей, самой новой комплектацией. Поэтому в задания вписывали двигатели, которые лишь прочерчены на бумаге, приборы, которых еще нет, пушки и пулеметы, которые проходят мучительный процесс доводки.
В ЦАГИ сначала выполнили эскизный проект АНТ-16 под четыре мотора М-35 в полном соответствии с заданием. Его завершили в октябре 1930 г. Потом сообразили, что самолет по плану надо уже строить, а требуемых двигателей нет, и в ближайшем будущем явно не ожидается. Начали искать альтернативы. Просчитали варианты с итальянскими моторами Изота-Фраскини ASSO, немецкими BMW IX, английскими Роллс-Ройс НХ 11 и отечественными М-34, М-34Р, ФЭД и М-27Р (существовавшими тогда в лучшем случае в опытных образцах). Все они уступали по мощности М-35. Чтобы обеспечить нужную суммарную тягу, количество двигателей вынужденно решили увеличить до шести.
К апрелю 1931 г. пришли к выводу, что основным вариантом для проектирования должна стать установка шести двигателей М-34, которые во втором квартале 1932 г. намеревались заменить четырьмя М-35. Но М-34 в наличии тоже не имелось – их производство на заводе № 24 в Москве начали налаживать только с сентября 1931 г. Поэтому для первого опытного АНТ-16 решили купить моторы по 800 л.с. в Англии. Фирме Роллс-Ройс» даже успели выдать заказ на них.
Но уже 1 июня заказ отменили. Это было связано с решением правительства прекратить закупку импортных моторов для опытных самолетов. Поскольку М-34Р и ФЭД пока не существовали даже в опытных образцах, а от серийного выпуска М-27Р отказались, то оставалось надеяться только на М-34.
Опытный самолет к этому времени уже начали строить. По своей компоновке бомбардировщик во многом повторял ТБ-З, но со значительным увеличением размеров всех узлов. Параллельно проектировались два варианта ТБ-4, предусмотренные планом опытных работ. Один должен был строиться целиком из дюраля (кольчугалюминия) и иметь большее по площади крыло (410 м'). Уточненное задание требовало от этого варианта бомбовую нагрузку 6000 кг и вооружение из десяти пулеметов и двух пушек. Второй тип должен был иметь стальной (для экономии дефицитного дюраля) каркас и меньшее по размерам крыло (площадью 340 м'). Он должен был нести меньше бомб (4500 кг) и более слабое стрелково-артиллерийское вооружение шесть – восемь пулеметов и одну пушку.
3 февраля 1931 г. Реввоенсовет СССР утвердил данные предварительных расчетов и принял решение строить опытную дюралевую машину с крылом площадью 410 м',
Конструкция ТБ-4была и похожа, и не похожа на ТБ-З.Принципиально это был такой же свободнонесущий моноплан с неубирающимся шасси, тихоходный гофрированный гигант с крылом толстого профиля. Аэродинамическая компоновка и облик большинства узлов повторяли ГБ-З.
Но имелись и отличия. Отказавшись от членения машины на узлы, укладывающиеся в железнодорожный габарит, крыло разбили всего на три части – центроплан и две консоли. Да и внутри крыло стало несколько иным. Число лонжеронов сократилосьдо трех. Их раскосы делали не из труб, а клепали из листа.
Фюзеляж принципиально не отличался от ТБ-3,но включал не один, а два бомбоотсека. Интересно, что вопреки плану опытных работ и заданию, самолет проектировали под бомбовую нагрузку 10 000 кг в соответствии с первоначальными прикидками. При этом полностью проигнорировали то, что машина с нагрузкой 10 000 кг, являвшаяся следующим шагом после ТБ-4,к этому времени уже была исключена из всех планов. Но, очевидно, уже сделанные чертежи Туполев не желал выбрасывать в корзину.
Бомбоотсеки позволяли подвеску в восьми кассетах КД-3 (Дер-18) бомб калибром до 500 кг. Общая нагрузка складывалась из 20 бомб по 500 кг или 40 бомб по 250 кг. Каждая пара кассет имела свой люк для сбрасывания бомб. Внутренняя подвеска боеприпасов более крупных калибров не предусматривалась. Проходы вдоль бомбоотсеков, шедшие посередине, не давали возможности использовать всю ширину емкого фюзеляжа. Самой крупной бомбой, которую мог нести АНТ-16, являлась АФ-1000 весом в тонну. Такие бомбы вешались на наружных бомбодержателях под центропланом.