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  1925年,蘇聯空軍向中央空氣流體動力學研究院(TsAGI)提出一個重型轟炸機的設計要求:必須達到2000匹馬力和固定或可收起的兩輪起落架。圖波列夫設計局在1926年開始設計並於1929年定案。TB-3是以圖波列夫設計局的TB-1轟炸機作為設計基礎,起初打算使用平均輸出600匹馬力的Curtiss V-1570「征服者」發動機, 後來在生產時改為米庫林 M-17(修改過的BMW VI引擎)。1930年3月21日,TB-3的試作模型受到核可,1930年10月31日,首架原型機完成。原型機在1930年12月22日由米哈伊爾·格羅莫夫試飛。試飛期間,由於機體發生振動導致油門關閉,使得飛機差點墜毀,總體而言試飛算是成功。1931年4月20日,蘇聯空軍批准使用M-17引擎的ANT-6大量生產。  TsAGI設計的TB-3原型機改用具有730匹馬力的BMW VIz 500引擎,有較大的散熱器和木製固定節距螺旋槳。單輪起落架被認為太過脆弱,取而代之的是 的轉向架加上兩個輪子的起落架。第一批預先生產的TB-3-4M-17機型在1932年1月4日由A·B·尤馬舍夫()和I·F·佩德洛夫()進行首次試飛。意料之外的是,隨後的大規模生產,實際生產出來的機型,重量高過原型的10-12%,這大大影響了飛機的效能。主因是原料過高的誤差容忍度使飛機所使用的鋼板、管線比起精心製作的原型機還要更重、更厚。飛機也粗魯的塗上了一層厚厚的迷彩。工廠依照建議,提供工人自機體上每減少1公斤(2.2英磅)就給予100盧布的報酬。在設計局各方面的努力下,使得飛機減輕1000多公斤(2200英磅)。儘管如此,生產出來的飛機實際重量可能彼此不同,差異可能到幾百公斤都有。  1933年,一架TB-3-4M-17藉由移除炮臺和炸彈掛架、封住開口、安裝路輪罩,來使得飛機更加流線。這僅增加最高空速4.5%和些微的最大作戰範圍。圖波列夫的結論是,流線化對大型和緩慢的飛機來說,流線化的效益微乎其微。為了研究具波紋的飛機表層,在1935年1月至2月,一架TB-3-4AM-34R在機身上增加了波紋覆蓋物。這增加了5.5%最快空速和27.5%的最高飛行高度。採用四葉螺旋槳後,對TB-3的爬升率有明顯的增加。

  TB-3的結構是全金屬建造而成,飛機的主構造採用三角槽型鋼管,外層以具波紋狀的非應力金屬覆蓋,厚度到不等。波紋深,波紋跟波紋間距。機翼結構是由內四角異型管組成。1934年,因為高速鋼的發展,TB-3的翼展從增加到。人員可著軟底鞋在飛機表面任何地方行走,且不會使飛機受損,此外,將機翼前緣向下擺動,可以形成一條維修引擎的通道。控制系統包含以電纜驅動的可變傾角尾翼和當某邊引擎失效時啟用的平衡補償系統。被固定住的主起落架並沒有配置剎車,燃料庫沒有防火或防漏機制。不過,引擎有內部滅火系統。TB-3安裝的M-17引擎理論上在沒有火星塞或化油器汙垢時,能夠提供最大的航程。TB-3裝有輕機槍作為自衛武器,分別被安裝在五個砲塔,一個在機鼻、兩個在機體上方中間位置,以及在兩側引擎中間各有一個可伸縮的「垃圾桶」,裡面各有一挺機槍。在後期型,機體上方的其中一挺機槍被移到機尾。

  

  TB-3被使用在對日本的1938年8月6日哈桑湖戰鬥,43架轟炸了反覆爭奪的幾個高地;1939年諾門罕戰役,出動了500架次以上用於夜間轟炸,還大量用於軍事空運。對芬蘭的冬季戰爭中。雖然它在1939年被正式退役。然而,1941年6月22日,德蘇戰爭開始時,蘇聯空軍依舊擁有516架可運作的TB-3,另有25架屬於蘇聯海軍航空兵。由於駐紮地遠離蘇聯西部邊界,TB-3從首波德國空襲中避免了災難性的損失,在這之後TB-3在該年6月23日起編入第三重型轟炸機團(TBAP)擔任夜間轟炸。但由於前線對地支援飛機與戰鬥機大量損失,TB-3必須在沒有護航的情況下在晝間執行轟炸任務,緩慢的航速導致易於被地方高射炮擊中;雖然有環形防禦火力,但在現代戰鬥機面前等於無。1941年8月時,TB-3佔了蘇聯轟炸機部隊的25%。但TB-3很適合作為夜間轟炸機,低航速使得命中精度高;機隊中積累了大批精英空勤人員,一夜可執行三趟出擊任務。TB-3幾乎參加了一直到1943年蘇聯所有主要的戰鬥,包括第一次斯摩稜斯克戰役、莫斯科戰役、斯大林格勒戰役、列寧格勒圍城戰和庫爾斯克會戰。1941年,蘇聯各種原因損失了超過40架TB-3。1945年1月,第18航空軍仍然擁有十架可運作的TB-3。TB-3廣泛被使用在貨物和傘兵運輸,最多可攜帶35士兵。在戰爭前五個月,TB-3累計運送了2,797噸的物資和2,300名人員。TB-3也被用在幾個特殊的專案,例如:Zveno計劃的戰鬥機母艦和空運或空降輕型T-27、T-37或T-38坦克。1941年8月1日,兩架屬於Zveno計劃戰鬥團的TB-3,各攜帶了兩架各攜帶了一對炸彈的伊-16,以自身無損失的狀況下,摧毀了羅馬尼亞康斯坦察港口中的油庫。1941年8月11日和13日,Zveno計劃戰鬥團成功地破壞了在羅馬尼亞境內多瑙河上的卡羅一世國王橋。Zveno計劃在1942年因為母艦過於脆弱而結束。  為了表彰TB-3在戰爭中的貢獻,1945年6月18日的首次戰後航空遊行,有三架TB-3出現在其中。

  1937年10月,蘇聯以144萬美元價格對華軍售並立即交付6架TB-3。這筆交易後來列入了1938年3月1日在莫斯科簽署的《蘇維埃社會主義聯邦共和國政府與中華民國政府間關於實施伍仟萬美金信用借款條約》,即抗戰時期蘇聯第一次對華軍事貸款,年息3%,從1938年10月31日起五年內還清。並列入1938年3月3日簽訂的蘇聯對華軍售總價30,321,164美元的第一份合同之中。TB-3由蘇聯志願航空隊駕駛於1937年10月27日飛抵迪化,10月31日飛抵蘭州,由中國空軍第8大隊第10中隊接收。11月30日5架由蘇中混合機組駕駛經漢口飛抵南昌。12月13日從南昌機場試圖起飛轉場吉安機場前夕,被日機炸燬2架、炸傷2架。12月25日修復後的2架與完好的1架返回蘭州,當運輸機使用。其中,1938年3月16日,第8大隊第10中隊分隊長郭家彥中尉(26歲,空軍軍官學校第二期航空班)與張君澤少尉(24歲,中央航空學校第五期第二班(洛陽空軍軍校)航空班)駕駛的1602號TB3重型轟炸機在蘭州拱星墩機場起飛去武漢,因單發失效,從平涼上空返航,在在蘭州皋蘭山營盤嶺的山谷墜毀,機上運送的彼得·伊萬諾維奇·阿列尼柯夫大尉以下共計20名蘇聯援華航空隊人員僅有坐在機尾部的2人生還,機組以及機上國民政府航空委員會高階翻譯李仲武、南京無線電臺臺長張培澤、航空機械士許振球等人全部喪生。所有遇難者葬於蘭州機場南山烈士陵園。1944年以中國空軍駐蘭州的第四路軍司令羅機署名的《空軍第四軍烈士墓記》碑文:“二十七年三月,東崗鎮口機張君澤、李仲武等三十餘烈士”。

  

  第一個生產版本,大約一半的TB-3都是這個型號。

  使用修改過散熱器的米庫林AM-34 發動機,增加了油冷卻器,約十架左右。

  使用減少齒輪箱數量的米庫林AM-34R引擎,大大改進了效能,並在尾翼安裝了額外的砲塔,尾輪改用液壓制動,以空氣動力學改進的機翼、機身,加入散熱器和可伸縮的風力發電機。

  精簡機身和剎車的長程演示飛機。一些飛機使用直徑的單輪起落架和三葉金屬螺旋槳。1933年到1934年間,曾用於飛往華沙、巴黎和羅馬的航班。

  使用AM-34RN引擎的高海拔版本,四片螺旋槳在另外兩片螺旋槳外側,使用直徑的機輪,使用ShKAS機槍,在飛行時,最高空速為公里每小時,巡航高度。1935年8月投入測試。

  使用AM-34FRN/FRNV發動機,增加了馬力輸出並使用四螺旋槳葉片、空氣動力學的改進,包括精簡炮臺,機輪安裝了剎車,最高時速超過。

  預計使用750匹馬力的Charomsky AN-1柴油引擎,原本預估作戰範圍可達4,280公里,因為其他特性不如TB-3-7-34RN而未投產。

  使用M-17和M-34發動機的退役TB-3,被俄羅斯航空轉用於貨運業務。

  封閉機體的TB-3,被用於1937年的北極遠征,使用直徑的機輪和三葉金屬螺旋槳。
圖波列夫TB-3(,意為重型轟炸機;民用型則稱為ANT-6)是1930年代蘇聯空軍列裝的重型轟炸機,並被使用於第二次世界大戰。它是世界上第一個懸翼四引擎的重型轟炸機。1939年,TB-3因過時而正式退役,但TB-3仍在整個二次世界大戰進行轟炸和運輸工作。 TB-3也以Zveno計劃戰鬥機母機和輕型戰車運輸機的角色參加戰鬥。