В становлении бомбардировочной авиации страны ОКБ А. Н. Туполева к тому времени заняло прочное лидирующее положение. Там были созданы такие этапные для своего времени машины, как тяжелый бомбардировщик ТБ-3 и скоростной бомбардировщик СБ. Коллектив Туполева обладал большими потенциальными возможностями и солидным опытом разработки многомоторных самолетов тяжелого и среднего класса.
Проектные работы над самолетом, названным АНТ-41, начались в августе 1934 года и велись в шестой бригаде, которую возглавлял В. М. Мясищев. Ведущим по самолету назначили инженера И. П. Мосолова.
К тому времени тактико-технические требования к самолетам подобного класса существенно возросли. Это было вызвано не столько улучшением летных характеристик тяжелых бомбардировщиков, сколько быстрым прогрессом одноместных истребителей. Поэтому создание воздушного крейсера довольно крупных размеров, сопоставимого с одноместными истребителями по основным летным показателям, и в первую очередь по скорости, представляло собой исключительно трудную техническую задачу. Однако у разработчиков АНТ-41 были все основания для уверенности в успехе, ведь не прошло даже года с момента создания двухмоторного бомбардировщика СБ, который по скорости полета не только не уступал, но даже превосходил все серийные истребители и был близок к новейшему из них — скоростному истребителю-моноплану Н. Н. Поликарпова И-16, еще только проходившему испытания.
Один из принципиальных вопросов, от которого во многом зависел выбор основных компоновочных решений и проектных параметров, состоял в определении круга выполняемых боевых задача. Ведь с момента создания первого воздушного крейсера Р-6 прошло уже довольно много времени и возможности авиации изменились. Основная идея конструкторов была очень четко выражена в проекте технических требований, направленном Туполевым на согласование начальнику НИИ ВВС. В разделе «Назначение самолета и его летно-технические качества», в частности, говорилось:
«Самолет должен быть спроектирован таким образом, чтобы он смог силами парковых мастерских (при наличии соответствующих запасных частей) быть подготовлен для выполнения следующих назначений: крейсера, бомбардировщика, сухопутного торпедоносца.
…Для всех вариантов назначения самолета должна быть выполнена следующая последовательность тактических требований по степени их важности: огневая защита, дальность, скорость, потолок».
После ряда согласований Я. Н. Алкснис в апреле 1935 года утвердил тактико-технические требования к самолету, в соответствии с которыми он был, во первых, заявлен как легкий крейсер (ЛК-4), во-вторых, он должен был быть торпедоносцем, в-третьих — бомбардировщиком. Туполев протестовал: «Это же самолет, а не лапоть. Его нельзя натянуть на любую ногу».
Максимальную дальность ЛК-4 военные определили в 3 тысячи километров, скорость в 300–340 км/ч, потолок — до 7 тысяч метров. Это были очень высокие характеристики, особенно если учесть, что лучший в то время истребитель-биплан И-15 развивал скорость около 370 км/ч.
В конструктивном отношении наиболее трудная задача заключалась в необходимости разместить внутри самолета торпедное вооружение: наружная подвеска сильно испортила бы аэродинамику машины и не позволила бы достичь приемлемых летных показателей. В своей записке от 14 декабря 1934 года, направленной А. А. Архангельскому, который замещал Туполева во время его командировки в Англию, В. М. Мясищев писал: «…Основной задачей самолета является тактико-техническое совмещение в самолете двухмоторного крейсера, бомбардировщика средней грузоподъемности и сухопутного торпедоносца… в варианте торпедоносца этот тип самолета является впервые реализуемым проектом с бóльшими скоростями, чем имеются сейчас…»
На разных стадиях проектирования АНТ-41 варианты его торпедного вооружения менялись. Если поначалу предполагалось, что самолет должен нести две торпеды массой по 820 килограммов или одну массой 1700 килограммов, то затем остановились на одной торпеде ТАНФ массой 920 килограммов. Но даже для нее потребовался бомболюк необычно большой длины — 6,5 метра (примерно 40 процентов всей длины фюзеляжа!). Ни один самолет, даже самый тяжелый, не имел тогда столь длинного бомбоотсека. Естественно, что в такой бомбоотсек свободно вмещалась и бомба самого крупного тогда калибра — 1000 килограммов. Для конструкторов основная трудность состояла в необходимости при минимальных весовых издержках обеспечить жесткость и прочность фюзеляжа, имеющего очень большой вырез в своей силовой конструкции. С этой задачей разработчики АНТ-41 справились успешно.