30 апреля 1954 г. первый опытный самолет «М» передали на Государственные совместные испытания (ГСИ) в ГК НИИ ВВС. Прежде чем начать полеты по их программе, самолет был продемонстрирован на воздушном параде 1954 г. над Красной площадью в честь Первомая. Показ произвел сильное впечатление на отечественную публику и зарубежных дипломатов.
5 мая 1954 г. состоялся первый полет в рамках ГСИ. Второй самолет поступил в ГК НИИ ВВС в марте 1955 г. На Госиспытаниях также задействовали один из первых серийных самолетов. В общей сложности на трех машинах было выполнено 99 полетов. ГСИ завершились 25 июля 1955 г. подписанием акта, в котором, в частности отмечалось, что самолет пригоден для использования в строевых частях. В тот же период бомбардировщик получил официальное обозначение М-4.
Самолет принят на вооружение в 1954 г. Всего было построено 32 самолета М-4. Первые машины были весьма сырыми, подолгу задерживались на заводской ЛИС для доработок, что приводило к срыву производственных планов.
6 июля 1954 г. вышло Постановление СМ СССР № 1428—642 о модернизации самолета М-4. Модернизированный самолет 3М был поднят в воздух 27 марта 1956 г. экипажем летчика-испытателя М.Л. Галлая. Выпуск 3М начался с 1956 г., он имел более экономичные двигатели ВД-7 и мог применять до 24 тонн бомб калибром от 100 кг до 9 тонн.
Самолет М-4 (3М) – цельнометаллический моноплан классической схемы с высокорасположенным стреловидным крылом.
Фюзеляж – полумонокок круглого сечения диаметром 3,5 м и длиной 45,6 м – технологически делился на носовую часть с передней гермокабиной, среднюю часть, включавшую центроплан крыла, хвостовую часть и кормовою кабину. В передней гермокабине размещался экипаж, основное пилотажно-навигационное оборудование и приборы управления вооружением. Крыло – свободнонесущей кессонной конструкции с углом стреловидности 35°. Механизация крыла состояла из посадочных щитков под мотогондолами и выдвижных закрылков.
Хвостовое оперение – однокилевое, стреловидное, кессонной конструкции.
Силовая установка бомбардировщика состояла из четырех самых мощных в то время реактивных двигателей АМ-3А конструкции Микулина с тягой по 8700 кГс, в 1955—1957 гг. на самолет установили более мощные и экономичные двигатели РД-3М, а затем РД-3М-500А. Тяга на максимальном режиме была увеличена до 9500 кГс. На самолете 3М с 1957 г. были установлены двигатели ВД-7, которые при тяге в 11 000 кГс, что на 26 % больше, чем у предшественника, имели и меньший на 25 % удельный расход топлива, да и по весу были легче. Объем топлива также был увеличен, в том числе за счет подвесных баков.
Шасси – велосипедной схемы, состояло из двух главных четырехколесных тележек и двухколесных свободно-ориентирующихся крыльевых опор. Для маневрирования при движении на земле передняя пара колес передней тележки могла поворачиваться на углы 4° с помощью гидравлической рулевой машины, тележка допускала разворот на углы до 27° в обе стороны. Передняя тележка была оснащена механизмом «вздыбливания» для автоматического увеличения угла атаки самолета при достижении скорости отрыва при разбеге по ВПП. Взлет происходил практически без вмешательства летчика. Колеса задней тележки имели тормоза. Подкрыльные опоры шасси самоориентирующиеся.
В бомбоотсеке самолета предполагалось размещать до двух бомб калибра 9000 кг, трех бомб калибра 6000 кг или любые свободнопадающие бомбы калибра 250 кг и более суммарной массой до 24 000 кг.
Главным оружием М-4 была термоядерная бомба – «изделие 37 д» мощностью 3 Мт тротилового эквивалента, которая могла уничтожить целый город или промышленный район. В арсенал самолета также входили менее мощные боеприпасы: РДС-1 и РДС-1м, РДС-3, РДС-4, РДС-5 и РДС-5 и мощностью 20—60 кт.
В 1959 г. экипажи летчиков-испытателей Н.И. Горяйнова и Б.В. Степанова установили на самолете 3М сразу 12 мировых рекордов высоты полета и грузоподъемности. В том числе подъема с грузом 10 т на 15 317 м, а на 2 км был поднят груз 55 220 кг. В том же году экипаж летчика-испытателя А.С. Липко установил семь мировых достижений скорости полета пo замкнутому маршруту. С грузом 25 т была достигнута скорость 1028 км/ч.
Главной особенностью самолета стал новейший комплекс вооружения с крылатой ракетой Д-5 (КСР-5), которая могла поражать морские и сухопутные радиоконтрастные цели. Она создавалась в соответствии с правительственным постановлением о разработке «стратегической бомбардировочной системы класса «воздух – земля» М-6К-14». Основу системы вооружения 3МД составляли две ракеты К-14, крепления под балочные держатели которых находились снизу корневых частей крыла. Ее дальность полета составила 280 км, а скорость втрое превышала звуковую. Она могла комплектоваться как фугасно-кумулятивной, так и ядерной БЧ. Ракета успешно прошла испытания и была запущена в производство под обозначением КСР-5.
В опытные машины были переделаны два серийных 3М. Первая из них поднялась в воздух с заводского аэродрома в Филях 25 ноября 1959 г. под управлением экипажа Б.М. Степанова. Начавшийся 1 февраля следующего года первый этап Госиспытаний проходил без ракет. После его завершения, несмотря на очевидное недовыполнение технического задания, было принято предварительное решение о серийном производстве 60 самолетов 3М-5. Работы по переоборудованию самолетов начались в 1973 г.
Однако окончательного решения о переоборудовании парка самолетов 3М так и не последовало. В начале семидесятых в международных отношениях наступил период разрядки, и был заключен первый договор об ограничении стратегических вооружений.
Командование ВВС было заинтересовано в превращении устаревших бомбардировщиков в остро необходимые танкеры. Одновременно решали вопрос о продлении назначенного ресурса 3М. Специалисты дали рекомендации, после выполнения которых самолеты 3М могли эксплуатироваться еще минимум 10 лет.
Всего было построено 116 серийных бомбардировщиков М-4 и 3М, из которых часть была переделана в самолеты-заправщики. Последний полет самолеты 3М совершили 23 марта 1994 г. с аэродрома г. Энгельс.
Модификации самолетов Мясищева, состоявшие на вооружении Дальней авиации, были следующие:
3МС-1 – бомбардировщик с двигателями РД-3М-500А («С» – как бы старый), изготовлено 40 таких самолетов;
3МС-2 – заправщик на базе 3МС -1;
3МН-1 – бомбардировщик с двигателями ВД-7Б («Н» – новый), было изготовлено 30 таких единиц;
3МН-2 – заправщик на базе 3МН;
3МД – заправляемый самолет-бомбардировщик, на котором планировалось иметь ракетное вооружение. Было изготовлено девять таких машин.
Впервые этот самолет продемонстрировали в июле 1967 г. на выставке авиационной техники в Домодедово.
Первые самолеты М-4 поступили на вооружение 1096-го тбап 201-й тбад 50-й ВА (Энгельс) в марте 1955 г. Командир полка – Герой Советского союза полковник А.В. Иванов. Директива Генштаба о формировании 201-й тбад вышла 4 сентября 1954 г. Главной базой соединения стал приволжский аэродром Энгельс, специально модернизированный под новый самолет. В дивизию сразу включили 1096-й тбап, а на следующий год добавили 1230-й полк.
Самолеты принимались в строй на аэродроме Раменское, там же к полетам приступил летный состав, который готовился и к участию в воздушном параде. Все самолеты М-4 и 3М выпускались на московском заводе № 23 в Филях. Первые машины сплавляли в Раменское частями на баржах, а затем стали перегонять по воздуху, взлетая с заводского аэродрома с минимальной взлетной массой.
Первый М-4 перелетел в Энгельс 28 февраля 1955 г., а 2 марта прибыла вторая машина. При первом знакомстве самолет произвел на летчиков дивизии, многие из которых ранее летали на Ту-4, сильное впечатление. Машина считалась строгой в пилотировании, особенно на взлете и посадке. Летчики долго не могли привыкнуть к тому, что самолет отрывается от полосы «автоматически», только за счет срабатывания механизма «вздыбливания», и следует лишь педалями удерживать машину на прямой.
Первые самолеты 3М начали поступать в 1230-й тбап 201-й тбад (Энгельс). В дальнейшем такими воздушными кораблями были вооружены 40-й и 79-й тбап 73-й тбад (Украинка). На первом этапе освоения самолета в технический состав экипажа включались специалисты с высшим образованием, но в последующем их заменили техниками. В начале освоения полки стратегических самолетов имели три эскадрильи на самолетах М-4 (3М), и одну – тренировочную на самолетах Ту-16.
Работы по созданию и освоению дозаправки топливом в полете по системе «штанга – конус» были начаты в соответствии с постановлениями Правительства СССР от 18.12.1953 г. Система дозаправки «Конус» для бомбардировщика М-4 была создана ОКБ-918 С.М. Алексеева. Первую «стреляющую» штангу-топливоприемник установили на самолете М-4 26.05.1954 г., а в качестве танкера использовали дооборудованный такой же системой М-4. Первую «конусную» дозаправку в полете выполнил экипаж Н.И. Горяйнова. Во втором полете Горяйнов выполнил сразу десять контактирований.
Уже 28.04.1956 г. самолеты поступили на испытания в ГК НИИ ВВС, а в феврале 1957 г. был выполнен полет с двумя дозаправками в воздухе. При попутной заправке было принято 35 т топлива, а при встречной – еще 24 тонны.
Полеты по программе Госиспытаний системы начались 27 сентября 1956 г. Летали на них как заводские летчики, так и экипажи ГК НИИ ВВС. 8 февраля 1957 г. был выполнен полет с двумя дозаправками, за 17 часов было пройдено расстояние 14 500 км, что вполне удовлетворило заказчика.
ГСИ системы «Конус» продолжались до июня 1958 г. и завершились с положительной оценкой. Танкер получил индекс М-4—2. Так как к тому времени вместо М-4 серийно строился более совершенный бомбардировщик 3М, было решено все находившиеся в строю «четверки» переоборудовать в заправщики, что и сделали, начиная с того же 1958 г.
С 1958 г. все ранее выпущенные самолеты М-4 начали переоборудоваться в заправщики М-4—2. В бомбовом отсеке такой машины устанавливался дополнительный топливный бак и комплексный агрегат заправки. Максимальное количество отдаваемого в полете топлива – 40 000 кг, производительность насосов агрегата заправки – 2250 л/мин.