После первых же полетов АНТ-4 Остехбюро подготовило технические требования ко второму экземпляру, "дублеру". Но ЦАГИ на этот раз отдал приоритет заданию ВВС на бомбардировщик. От первой машины второй самолет должен был отличаться, в первую очередь, наличием стрелкового и бомбового вооружения. 11 июня 1926 г. пленум НТК утвердил перечень военного оборудования и вооружения АНТ-4. Бомбовая нагрузка в 1200 кг должна была размещаться в бомбоотсеке и на внешней подвеске. Сверх этого, под крылом самолет нес пристрелочные бомбы. На АНТ-4 ставились три турели для двух пулеметов "Льюис" обр. 1924 г. каждая. К оборудованию добавлялись радиостанция (с радиусом действия до 400 км), фотоаппарат "Поттэ", огнетушители. Экипаж снабжался парашютами. К этому времени от замысла наладить производство "лайонов" в СССР отказались. Поэтому на второй экземпляр решили поставить французские двигатели "Лоррэн-Дитрих" 12Е мощностью по 450 л.с. Они тоже были 12-цилиндровыми водяного охлаждения, но W-образными (трехрядными).
Заказчиком второго АНТ-4 уже являлось Управление ВВС. Заказ был оформлен в июле 1926 г. Самолет в нем именовался ЛЗ-2ЛД, то есть легкий бомбардировщик с двумя моторами "Лоррэн-Дитрих". Интересно, что заказанная машина согласно этому документу считалась эталоном для серийного производства. Предполагалось, что серийный выпуск начнется примерно через 20 месяцев, рабочие чертежи будут выполняться силами Авиатреста.
Тут следует отметить, что в то время ЦАГИ считался научной организацией и подчинялся Научно-техническому отделу ВСНХ, а авиазаводы объединялись в Авиатрест. При этом никаких официальных соглашений между ЦАГИ и Авиатрестом не имелось, а все работы проводились по договорам с ВВС. 19 августа УВВС заключило с ЦАГИ договор о постройке образца легкого бомбардировщика, в соответствии с которым исполнитель через 13 месяцев был обязан выставить на испытания готовую машину, а через два месяца после их завершения передать все чертежи, расчеты, фотографии и описание бомбардировщика. После постройки и регулировки "дублер" становился собственностью ВВС. Военные платили 385 тысяч рублей, а также оплачивали весь процесс испытаний, предоставляли бензин, масло и место в ангаре. 17 сентября ЦАГИ получил аванс; с этого момента пошел отсчет времени.
К 28 марта 1927 г. была готова хвостовая часть фюзеляжа, изготовлены лонжероны центроплана и стабилизатора, собрана ферма носовой части, завершалась обшивка консолей гофрированным листом. Но моторы "Лоррэн-Дитрих" пользовались невысокой репутацией: потребляли много горючего и масла, были плохо уравновешены и вызывали на самолетах сильные вибрации. Покупали их в основном из-за низкой цены. 19 апреля 1927 г. НТК предложил ЦАГИ рассмотреть возможность установки на самолете новых немецких двигателей BMW VI. На высоте они могли развить мощность до 600 л.с, что позволяло несколько улучшить летные данные. Кроме того, намечался выпуск моторов BMW VI по лицензии, а это решало проблему зависимости от импорта.
В АГОС провели предварительные расчеты, и в июне на заседании НТК Туполев доложил о новом варианте проекта АНТ-4. Большая тяга позволяла поднять боевую нагрузку при сохранении или даже некотором повышении скорости и потолка. Туполев пообещал скорость 196 км/ч на высоте 2350 м и практический потолок в 4700 м. Было принято решение строить "дублер" с немецкими двигателями.
В сентябре 1927 г. ЦАГИ представил военным эскизный проект, который 22 сентября был одобрен. Данные машины вполне укладывались в рамки задания на "бомбовоз тяжелого типа", утвержденного в июне 1926 г. Поэтому в дальнейшем самолет считался тяжелым бомбардировщиком и вскоре получил новое обозначение ТБ1-2БМВ6 (или TE1-25MBVI). Позднее появилось написание ТБ-1.
В октябре провели продувки масштабной модели. Замена двигателей несколько затянула постройку машины, поскольку часть чертежей выполнялась заново. Охлаждение воды на этот раз обеспечивалось лобовыми сотовыми радиаторами, расположенными в передней части мотогондол. Маслорадиаторы отсутствовали - масло должно было остывать в маслобаках. Более мощные моторы потребляли больше горючего: на самолете теперь имелось 10 баков на 1650 кг бензина. Кроме пневмопуска, ТБ-1 оснастили устройством ручного запуска. Причем ручка находилась не снаружи, а внутри самолета. Она была откидной, с несколькими шарнирами. Предполагалось, что с ее помощью кто-то из членов экипажа сможет раскрутить мотор прямо в полете.
Управление самолетом сделали двойным: в расширенной кабине могли сидеть два летчика. Но по штату пилот был всего один - левый. Правое место при необходимости мог занять помощник, он же средний стрелок. Всего экипаж включал пять человек: бомбардира-навигатора (штурмана) - он же радист и фотограф, носового стрелка, летчика, помощника летчика (среднего стрелка) и кормового стрелка, который считался почему-то командиром самолета. Как он мог руководить оттуда работой экипажа при весьма примитивных средствах связи - остается загадкой. В требованиях ВВС указывался только "световой переговорный прибор" с лампочками. Комплект приборов для каждого рабочего места и компоновка приборных досок окончательно были утверждены 11 ноября.
Предусматривалась установка радиостанции ВОЗ IV, планового фотоаппарата Поттэ II (в заднем левом углу передней кабины) и кислородных приборов. Два огнетушителя "Тайфун", управляемых пилотом, должны были при необходимости заливать пеной моторы.
Стрелковое вооружение - три турели, каждая с двумя пулеметами "Льюис" калибра 7,62 мм. Одна турель располагалась в самом носу бомбардировщика, еще две стояли друг за другом в хвостовой части фюзеляжа. Боезапас для каждой установки - 12 дисков. Планировали дополнительно поставить один пулемет на шкворне, стреляющий в люк вниз-назад, но в начале ноября от этого отказались, поскольку сочли, что понадобится еще один стрелок.
Нормальная бомбовая нагрузка определялась в 730 кг, максимальная - 985 кг. Бомбы размещались в кассетных держателях Дер-9 на 16 замков в фюзеляже и снаружи на балках под центропланом. Сбрасыватель был механический, типа Сбр-8, для прицеливания при бомбометании служил немецкий оптический прицел Герц F1110, находившийся в передней кабине.
Для ночных полетов предусмотрели две фары "Цейсе" и ракетодержатель "Мишлен" (в нем стояли пиротехнические ракеты-факелы, поджигавшиеся электричеством). Самолет имел ночное освещение, кодовые и навигационные огни. Питание всех электрических устройств осуществлялось от аккумулятора и забортного генератора, вращавшегося ветрянкой.
Машину подготовили к февралю 1928 г. но летать она не могла - внешторговцы не смогли вовремя доставить в Москву английские полуоси шасси. 17 февраля завершение постройки удостоверили совместным актом ЦАГИ и УВВС, поскольку договорные сроки вышли, а сдача бомбардировщика срывалась не по вине АГОС.
Лишь в июле "дублер" удалось выпустить на заводские испытания. Самолет проходил их без вооружения. Вместо бомб брали балласт - мешки с песком. Бомбардировщик оснащался моторами со степенью сжатия 6,0 максимальной мощностью 600 л.с. Облетывал машину экипаж в составе: командир - М.М. Громов, второй пилот - С.А. Данилин, летнаб - Кравцов. Были опробованы два комплекта винтов с одним диаметром (3,3 м), но разным шагом. Наилучший из них обеспечил скорость у земли 207 км/ч. В целом летные данные оказались выше, чем задавалось требованиями ВВС, и выше расчетных. Поскольку увеличение шага винтов положительно сказалось на скорости и скороподъемности, на государственные испытания ТБ-1 выставили с новыми винтами еще большего шага.
Представители НИИ ВВС приняли бомбардировщик 20 августа. На нем были установлены носовая турель Тур-6 и две перекатывающихся с борта на борт Тур-5 сзади, однако пулеметы на них отсутствовали. Бомбодержателей и сбрасывателя тоже не было. Все это по договору поставлялось УВВС, но в срок не прибыло.
20 августа машину продемонстрировали в воздухе начальнику штаба ВВС С.А. Меженинову. Затем самолет взвесили, поставили пулеметы и огнетушители. 12 сентября состоялся первый полет по программе испытаний. На борту находились пилот Волковойнов и наблюдатель Петров. В последующих полетах определялись характеристики устойчивости и управляемости, замеряли скорость и потолок. Петрова сменил Шмидекампф. Испытатели отметили хорошую устойчивость, простоту взлета и посадки. В полете обзор из пилотской кабины был достаточным, но на рулении с левого кресла летчик ничего не видел вперед и вправо, из-за чего при посадке обычно делали левый разворот. Волковойнов пришел к выводу, что без помощи летнаба пилоту выйти на курс бомбометания невозможно - нос самолета закрывал от летчика землю. После нескольких полетов привезли и установили бомбодержатели.
В НИИ ВВС опять столкнулись с выявленной ранее особенностью пилотирования АНТ-4. Примененный на нем толстый моментный профиль крыла привел к резкому изменению балансировки самолета при резкой даче газа. Особенно это проявлялось при уходе на второй круг при посадке. Изменение балансировки парировалось перестановкой угла атаки стабилизатора с помощью тросового механизма. Но на это требовалось время, и к этому нужно было привыкнуть.
Выявился и ряд конструктивных недостатков самолета. Очень трудно снимались капоты. Чтобы демонтировать их боковые и передние листы, механикам требовалось вывинтить до 80 болтов, снять выхлопные патрубки и винт. Вода спускалась только через насосы моторов. При этом в системе образовывались застойные места, которые зимой могли перемерзнуть. Масло сливалось через фильтр очень долго. Бензобаки можно было заправлять лишь все вместе, поскольку они сообщались между собой. Бензокраны подтекали. Ручной самопуск оказался непригодным: механику просто не хватало места, чтобы сильно крутить ручку. Она годилась только для вращения коленчатого вала при проверке и регулировке двигателя. Искры от выхлопа попадали на крыло, выжигая краску. Левый штурвал не имел ограничителя: пилот, резко опуская нос машины, колотил им по приборной доске. Правый штурвал нельзя было повернуть полностью - летчик задевал рукой за фальшборт.
Когда в полете попытались открыть бомболюки, сделать это не удалось. Бензиномеры отказали сразу - пилоты понятия не имели, сколько горючего оставалось в баках.
Испытания вообще шли не очень гладко. Уже 14 сентября в полете отказал указатель скорости. 29 сентября вышел из строя правый мотор, но летчик благополучно посадил самолет. Зато при осмотре нашли трещины обшивки хвостовой части фюзеляжа и крыла.
Машину отправили на ремонт и замену двигателей. Эту работу закончили 16 ноября 1928 г. На коках винтов поставили храповики для запуска автостартером, смонтировали коллекторы, выбрасывавшие выхлопные газы вверх-назад. 23 ноября совершили пробный полет, после чего перерегулировали карбюраторы моторов. Но самолету опять не повезло. В ночь с 27 на 28 ноября поднялся сильный ветер, сорвавший деревянные накладки, фиксировавшие на стоянке левый элерон. Он начал хлопать и при этом повредил крыло. Пришлось чинить. Затем вновь монтировали снятое при ремонте вооружение. Заодно сделали ветровой козырек второму пилоту (ранее отсутствовавший).
10 декабря, после улучшения погоды полеты возобновились. Через неделю бомбардировщик переставили на лыжи. Металлические лыжи для "дублера" специально изготовили в ЦАГИ. Зима добавила хлопот. Лыжи примерзали и перед взлетом механикам приходилось раскачивать машину. Моторы запускались неплохо, но в длительных полетах начинало застывать масло в баках. Представители ЦАГИ ограничили продолжительность нахождения в воздухе - не более 1 ч (позднее маслобаки передвинули вперед, где было теплее). В зимнем обмундировании оказалось неудобно залезать в самолет, а пройти в такой экипировке между пилотскими сиденьями вообще было невозможно. Ветровые козырьки потрескались. Начали перетираться резиновые шнуры амортизатора костыля, но, чтобы проверить их состояние, технику приходилось раздеваться, иначе он просто не мог заползти в хвост фюзеляжа. Стрелки, вращая турели, скользили на обледеневшем металле гофрированного пола.
Тем не менее, общее впечатление от самолета было хорошим. 10 ноября из НИИ ВВС сообщали в НТК: "Самолет ТБ-1 при устранении отмеченных недостатков... может быть допущен для эксплуатации в частях ВВС".
Испытания не закончили. 21 февраля 1929 г. при посадке летчик попытался развернуться. Внутренняя лыжа утонула в рыхлом снегу; заклинившаяся левая "нога" вывернула узел крепления полуоси. Его починили, но машину отозвали для "выполнения специального задания" - подготовки к перелету в США.
