Год спустя в НИИ ВВС предприняли попытку улучшить летно-технические данные бомбардировщика. Прежде всего обратили внимание на силовую установку. Увеличили опережение зажигания и уточнили инструкцию по пользованию высотным корректором двигателей М-17. Уменьшили с 460 до 300 кг запас масла и на 518 кг вес пустого, а полетный вес довели до 20 000 кг. При этом бомбовая нагрузка возросла до 3600 кг вместо расчетных 1000 кг. Это стало возможным благодаря установке дополнительных держателей Дер-9. 6 августа 1933 года доработанный самолет совершил беспосадочный перелет по маршруту Щелково (ныне аэродром Чкаловская) – Евпатория – Щелково за 15,5 часа. На полигоне в Евпатории сбросили 2500 кг бомб.
По остатку горючего сделали вывод: «Самолет допускает при безветрии бомбовую нагрузку 3200 кг при полете на радиус 1200 км и 2000 кг при полете на радиус 1500 км».
Повысить же летные данные бомбардировщика можно было лишь путем местных улучшений аэродинамики или заменой моторов более мощными. Развивая оба направления, спустя месяц ЦАГИ совместно с заводом № 22 в октябре 1933 года предъявил на государственные испытания бомбардировщик с двигателями М-34, а девять дней спустя – модернизированный ТБ-3 с М-17.
Транспортировка бронеавтомобиля на внешней подвеске ТБ-3 с моторами М-17
В ноябре в НИИ ВВС при участии ведущих инженера Куликова и летчика-испытателя Н.И. Кастанаева завершились испытания модифицированного ТБ-3–4М-17. На машине с крылом увеличенного до 41,85 метра размаха и площадью 235,1 м2 поставили зализы крыла и хвостового оперения в местах их сопряжения с фюзеляжем и обтекатели на шасси. Сняли крыльевые пулеметные установки. В результате максимальная скорость у земли возросла на 20 км/ч, а на высоте 3000 метров – на 10 км/ч, потолок же поднялся на 800 метров. Но для конца 1933 года этого было уже не достаточно.
Лучшие результаты надеялись получить на машине с двигателями М-34 конструкции А.А. Микулина. Но, несмотря на их большую взлетную мощность (840 л.с.), летные характеристики изменились мало. Так, максимальная скорость не превышала 207,5 км/ч, а практический потолок – 3900 метров. Причина заключалась в значительном снижении тяги воздушных винтов, вращавшихся с большими, чем на М-17Ф, оборотами, а отсутствие наддува приводило к снижению мощности двигателя и, как следствие, падению скорости с ростом высоты полета.
Тем не менее самолет запустили в серийное производство на заводе № 22. В 1935 году 56 машин с новыми моторами, после доводки в НИИ ВВС, перебазировали в Сещу. Впоследствии их можно было встретить на аэродромах в Серпухове (восемь бомбардировщиков), Кречевицах и Гродно.
Значительного улучшения летных данных смогли добиться лишь после установки редукторных двигателей М-34Р, но не сразу. На опытном самолете в 1933 году удалось достигнуть лишь скорости 229 км/ч, почти в полтора раза увеличить скороподъемность и немного потолок. И только после улучшения аэродинамики самолета на испытаниях в июле 1934 года получили характеристики, удовлетворявшие конструкторов и заказчика – ВВС.
На серийных машинах окончательно сняли крыльевые пулеметные установки (например, как рассказывал отец, в 1-м тяжелобомбардировочном полку бывшей Ростовской авиабригады они отсутствовали уже на самолетах с моторами М-17), а взамен ввели кормовую стрелковую установку. Кроме этого, возросли площади хвостового оперения, руль поворота с измененной геометрией подняли вверх и снабдили флетнером, усилили килевую колонку и установили зализы крыла, оперения и мотогондол. Появилось хвостовое колесо, задние колеса на тележках основных опор заменили тормозными, а резиновые амортизаторы – масляно-воздушными. В результате при неизменной мощности двигателей максимальная скорость возросла до 242,5 км/ч, а практический потолок – до 5100 м. Ведущим летчиком-испытателем в НИИ ВВС был Г.Ф. Байдуков.
Летом 1934 года на Дальнем Востоке прошли учения ВВС с широким привлечением ТБ-3. Эффект от их применения превзошел все ожидания. В июльском постановлении Комитета Обороны СССР, в частности, отмечалось:
