Хотя официально в нашей стране доктрина Дуэ о решающей роли бомбардировочной авиации в войне полностью не принималась, многие из ее положений оказали существенное влияние на создание тяжелых и сверхтяжелых отечественных машин. Перед авиационной промышленностью ставилась задача создания сверхтяжелых бомбардировщиков с бомбовой нагрузкой до 25 тонн при сохранении дальности и скорости, достигнутых на ТБ-3.
В апреле 1930 года Совет труда и обороны СССР утвердил план опытного самолетостроения, где фигурировали работы по созданию ТБ-4 (АНТ-16). Реально работы по опытной машине вместо планируемого года заняли более двух лет, в мае 1930-го началось эскизное проектирование. Только в канун нового, 1933 года были получены требуемые двигатели, а в феврале 1933-го начали вывозить агрегаты на аэродром для сборки. К апрелю 1933 года АНТ-16 в целом собрали. В июле — летные испытания.
Общее руководство проектом осуществлял А. Н. Туполев, проектирование фюзеляжа как всегда возглавил А. А. Архангельский, крыла — В. М. Петляков, оперения — Н. С. Некрасов, силовой установки — И. И. Погосский и вооружения — Е. И. Погосский, И. И. Толстых. Для проектирования бомбоотсеков были созданы бригады К. В. Свешникова и В. М. Мясищева.
В октябре 1930-го в ЦАГИ закончили предварительный аэродинамический расчет АНТ-16 с двигателями М-35 (проект моноблочного двигателя на базе М-34).
Камнем преткновения для проекта долгое время был выбор типа и числа двигателей. Поскольку на начало 1930-х годов появление двигателей М-35 было проблематично (этот мотор стал реальностью лишь к началу 1940-х), поэтому остановились на шести двигателях меньшей мощности (четыре — на крыле и два — тянущий и толкающий, в спарке над фюзеляжем).
Первоначально планировали вновь установить четыре мотора. Для этого пытались купить двигатели итальянской фирмы «Изотта-Фраскини», но из-за отказа итальянцев перешли к расчетам под шесть М-34 с редуктором и без редуктора, под проектные двигатели М-27 с редуктором, под двигатели «Роллс-ройс» и БМВ. В зависимости от двигателей АНТ-16 должен был иметь нормальную полетную массу — от 27 до 31 тонны, максимальную скорость — 242 км/ч, крейсерскую — 200–210 км/ч.
Как уже отмечалось, по своей аэродинамической схеме, компоновочным решениям и конструкции новый тяжелый бомбардировщик являлся развитием ТБ-3, но отличался большими геометрическими размерами и мощностью силовой установки. При этом основные удельные параметры самолета остались практически на том же уровне, что и у ТБ-3.
Особенностью конструкции фюзеляжа стали два больших бомбоотсека длиной пять метров и шириной около двух метров, расположенных за центропланом крыла. Такие крупные отсеки в фюзеляже впервые появились в практике мирового самолетостроения.
Силовая установка — шесть двигателей М-34 максимальной мощностью по 830 л. с. (номинальная — 750 л. с). Четыре двигателя — в носке крыла, а два — в тандемной установке на сварной раме над фюзеляжем.
В систему оборонительного вооружения ввели пушки. Предлагавшаяся схема оборонительного огня была достаточно эффективна и практически не оставляла «мертвых» зон, в этом АНТ-16 был как бы предтечей будущих «летающих крепостей».
АНТ-16 имел прицел для ночного бомбометания ОПБ-2, радиоприемник, внутреннюю телефонную связь и другие приборы того времени. Столь большой самолет с круговой системой оборонительного вооружения потребовал увеличения экипажа до двенадцати человек: два пилота, штурман, радист-пеленгатор, бортмеханик и семь стрелков.
Согласно техническому заданию опытный ТБ-4 с шестью двигателями М-34 должен был иметь нормальную полетную массу — 31 тонну (перегрузочная — 37 тонн), массу пустого — 10,7 тонны, максимальную скорость у земли — 208 км/ч, дальность — 1600 километров… Нормальная бомбовая нагрузка — четыре тонны, максимальная — десять тонн. Оборонительное вооружение, для того времени очень мощное, — две пушки «Эрликон» калибра 20 миллиметров и десять пулеметов ДА.
Первый полет на машине совершил экипаж летчика Громова 3 июля 1933 года. Краткая оценка M. M. Громова была такой: «Взлет — прост, тенденций к развороту нет. Разбег — короток. При наборе высоты самолет устойчив и набирает высоту хорошо. При полете — устойчив и прост в управлении. При планировании устойчив, и перестановки стабилизатора почти не требуется. Посадка — очень простая, заворотов при пробеге не чувствуется…»