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  1941年納粹德國入侵蘇聯的“巴巴羅薩行動”前,蘇聯便已開始籌備新機型的研發,但忽如其來的戰爭打破了這一程序,戰爭開始後的一年,蘇聯大部分的空軍兵力均被摧毀。蘇聯手上勉強稱為戰略轟炸機的機型只有極為少數的Pe-8轟炸機,但效能老舊落後;蘇聯為了彌補這項缺憾,圖波列夫的學生領導的設計局(OKB-482、DVB-202)在1943年起即開始研發四發動機轟炸機,但技術本質上均為Pe-8轟炸機的改良,未有明確成果。  蘇聯第一次獲得關於B-29的公開資訊是在1942年美國王牌飛行員埃迪•裡肯巴克(Eddie Rickenbacker)造訪莫斯科後。蘇聯也向美國要求希望依租借法案取得B-29轟炸機,但美國拒絕了這個提議。1943年後,蘇聯空軍已經取得對德軍的優勢,但在戰略轟炸上缺少可用機型,只有32架老舊且不可靠的佩-8轟炸機。在戰爭的最後一年,蘇聯再次將戰略航空兵提上議程。

  1944年7月29日,一架編號42-6256的B-29-5-BW在轟炸滿州國工業設施後,返航途中,飛機遇到了電氣系統問題,機載無線電裝置能收報卻不能發報,霍華德•賈雷爾(Howard R. Jarrell)上尉率其機組成員飛往符拉迪沃斯託克進行緊急降落;該機是部署在中國成都的第20航空隊的早期生產型“超級堡壘”當中的一架,機頭處繪有“Ramp Tramp”(不刮鬍子的流浪漢)的圖樣。  1944年8月20日,一架編號42-9329的B-29A−1-BN因機體著火(早期B-29因引擎散熱設計不良經常肇生的事故)沿著黑龍江飛行後在伯力附近墜毀,機組員全部成功跳傘逃生;1944年11月,一架編號42-6365的B-29-15-BW因燃料不足迫降蘇聯、另外有一架編號42-6358的B-29-15-BW被日軍戰機追擊迫降。過去曾傳言蘇聯有手上有第5架B-29,後續訊息顯示這架B-29是墜毀在韓國境內,但蘇聯並沒有成功取得相關細節。  4架流落蘇聯的B-29機組員,斯大林雖然同意機組人員歸國,但依據日蘇中立條約(蘇聯當時並未對日宣戰)將機體扣留,美國雖然多次提出申索均遭蘇聯回絕。另一方面,美方也事實默許了蘇聯扣押B-29的行為,並將此事保密,沒有采取一致的外交努力讓蘇聯人交回飛機。  這時候斯大林已經有計劃試圖吸收這些飛機的新技術製造出4發動機戰略轟炸機,相關計劃在1945年5月25日起醞釀。在1945年5月28日,斯大林再度向美國提出請美方提供120架B-29作為太平洋方面攻擊日軍使用,但再度遭美方回絕。新上任的蘇聯航空工業部部長米哈伊爾·赫魯尼切夫建議以逆向工程方式製造出B-29,同時斯大林也徵詢蘇聯國內大型飛機研製翹楚安德烈·圖波列夫意見,在圖波列夫同意下,由他負責開啟了蘇聯複製B-29工程計劃,斯大林並要求他儘快完成。  圖波列夫最初並不認可完全逆向仿製B-29,他更希望將西方的最新技術融合到一架新式飛機上,但斯大林要求,新型轟炸機應是B-29的完全複製。  在1945年時,蘇聯手上有3架B-29、1組B-29殘骸,分別屬不同批次型號,蘇聯將1架解體測繪零件、1架留用飛行訓練、1架作為測繪對照機。成立了以聯共(布)中央政治局常委馬林科夫為首的國家委員會,全權負責研製圖-4轟炸機,其重要性與權力與貝利亞為首研發原子彈的國家委員會並列,都是冷戰初期蘇聯謀求最低戰略威懾手段的必須極速完成的國家任務。逆向工程負責單位超過900間不同工廠及研究院,飛機零件測繪在1946年完成,共繪製出100500張各式圖紙,逆向工程進入1947年時,蘇聯已經完成20組機體散件待驗收組裝。蘇聯在過程中面臨最大的挑戰是零件度量衡問題,美國長期以來是以英制度量衡為基準,但蘇聯生產機具是依循公制度量衡設計,即使是制度相應,但實際上零件的厚度仍然會些許不同,在高精密度的飛機上積少成多時,不免會影響飛機整體重量甚至平衡。但是在蘇聯工程師的努力下,Tu-4的全重量只比起B-29略增1%(340公斤)。

  二戰後期世界各航空大國正處於從螺旋槳內燃發動機到噴氣式發動機的動力革命時期,航空技術進步突飛猛進。因此蘇聯仿製圖-4轟炸機時,在各方面效能比原型的B-29轟炸機有所提高。圖-4轟炸機單臺發動機功率從2000馬力增加到2400馬力,並裝有渦輪增壓器,使得飛機最大升限由B-29的9 725米提高到12 000米,並且分流部分增壓的空氣供給增壓艙使用,可以有效地改善飛行人員的高空工作條件,並減少自帶氧氣的消耗。圖-4的載油量巨大,裝有大容量的機內固定油箱,而且必要時可以在前機身炸彈艙里加裝3個容量各為2400升的副油箱,可以保證正常續航時間18個小時以上,惡劣天氣油料消耗增加時也能連續飛行10個小時。  機上飛行裝置配有當時比較先進的航行雷達和天文羅盤,PB-10無線電高度表,機上配備了三名領航員:航行領航員、轟炸領航員和雷達領航員。機上有寬幅航空相機和攝影機,既可以對轟炸戰果拍照,又可以執行航空偵察任務。轟炸瞄準具在當時也很先進,有陀螺儀保持水平,可自動瞄準跟蹤轟炸目標,和自動駕駛儀並聯,進入轟炸航路後由轟炸領航員直接操縱飛機轟炸。通訊裝置有超短波話臺、短波話臺。  圖-4轟炸機有5個炮塔,裝10門23毫米機關炮,比B-29的12挺12.7毫米機槍和一門20毫米機關炮火力更強。5個炮塔中的3個炮塔可以對地射擊,可以由3個人分別射擊,也可以由一個人遙控操縱3個炮塔同時對地面一個目標射擊。射擊瞄準具可以自動修正誤差。

  蘇聯的Tu-4自1948年服役到1960年代,共生產847架。1954年,Tu-16轟炸機開始換裝替代Tu-4編制,1956年Tu-95轟炸機服役全面取代Tu-4;自前線引退的Tu-4在它服役末期是以運輸機、空中測試平臺等勤務機種角色運用。  1949年中共建國後,中國代表團赴蘇聯商談援助;航空援助部分斯大林答應援助中國10架圖-4轟炸機,1953年2月28日,作為毛澤東生日禮物由蘇聯飛行員駕駛至河北石家莊,隨機還有專業人員作為領航,射擊和機械維修等的顧問,中國人民解放軍空軍為這10架精銳機種成立「獨立第4團」運用,獨四團1954年移防到北京南苑,1955年又移防到西安武功,解放軍的圖-4曾作為國土防空巡邏機使用,1958年曾用於西藏平亂和1960年的中印戰爭,還曾執行過轟炸黃河冰川等任務。1966年,解放軍更換了Tu-4發動機,AI-20K渦輪軸發動機替換了原本的活塞發動機;1967年計劃將她改造為空中預警機(代號空警-1),但最後因為加裝偵搜雷達的試飛過程中屢次失敗而作罷,空警1號研發在1971年取消。  解放軍的Tu-4服役到1988年退役,並由後繼者轟-6接任解放軍的戰略轟炸機任務。
圖-4轟炸機(,北約代號:公牛)是蘇聯以繳獲的B-29轟炸機基礎逆向工程並改造的之戰略轟炸機。因為它的設計血統,西方戲稱它為“B-29斯基”。圖-4是蘇聯和中國二戰後的第一種戰略轟炸機,1951年10月18日蘇聯用它空投了其第一顆原子彈。除了轟炸機也被改裝為加油機和預警機使用。