Фюзеляж принципиально не отличался от ТБ-3, но включал не один, а два бомбоотсека. Интересно, что вопреки плану опытных работ и заданию, самолет проектировали под бомбовую нагрузку 10 000 кг в соответствии с первоначальными прикидками. При этом полностью проигнорировали то, что машина с нагрузкой 10 000 кг, являвшаяся следующим шагом после ТБ-4, к этому времени уже была исключена из всех планов. Но, очевидно, уже сделанные чертежи Туполев не желал выбрасывать в корзину.
Бомбоотсеки позволяли подвеску в восьми кассетах КД-3 (Дер-18) бомб калибром до 500 кг. Общая нагрузка складывалась из 20 бомб по 500 кг или 40 бомб по 250 кг. Каждая пара кассет имела свой люк для сбрасывания бомб. Внутренняя подвеска боеприпасов более крупных калибров не предусматривалась. Проходы вдоль бомбоотсеков, шедшие посередине, не давали возможности использовать всю ширину емкого фюзеляжа. Самой крупной бомбой, которую мог нести АНТ-16, являлась АФ-1000 весом в тонну. Такие бомбы вешались на наружных бомбодержателях под центропланом.
В носовой части самолета размещались передний артиллерист, бомбардир и штурман. Для бомбардира предусматривалась установка оптического прицела ОПБ-2 (копия немецкого «Герц-Бойков»). Два пилота сидели в полузакрытой кабине перед крылом. Места летчиков разделялись широким проходом с металлической крышей над ним. Нечто подобное встречалось на самолетах фирмы с Юнкерс». Компоновку носовой части и ее кабин отработали на макете, утвержденном в апреле 1931 г. Места двух бортмехаников находились в центроплане. Согласно заданию, они могли в полете перемешаться внутри крыла и через специальные смотровые окна наблюдать за работой агрегатов двигателей. Предусматривался также выход через люки на крыло и горизонтальное оперение. За бомбоотсеками находилась кабина радиста с радиостанцией 11-СК, так называемая общая кабина и отдельная кабина для установки радиопеленгатора (примитивного радиокомпаса).
Оперение было очень сходно с тем, которое позже ввели на ТБ-3 с моторами М-34Р, но отличалось значительно большими габаритами. Несмотря на размеры рулей и, соответственно, нагрузки на органы управления, рули приводились в действие без сервомеханизмов, по жесткой схеме. Пилотам помогал только электропривод изменения угла установкистабилизатора.
Шасси на ТБ-3 было совершенно не похоже. Иначе выполнили саму стойку, ввели масляно-пневматическую амортизацию (на ранних модификациях ТБ-3 для этой цели применяли резиновые буфера), а спаренные колеса разместили не в тележке-тандем, а рядом друг с другом. Спицованные колеса снабдили импортными барабанными тормозами «Фаст». Проектом предусматривалось закрытие стоек вместе с колесами обтекателями-штанами». Но на других эскизах видны большие каплевидные обтекатели, закрывающие только колеса. Хвостовой опорой являлся не традиционный для того времени костыль, а ориентирующееся колесо.
Долгая утряска ситуации с двигателями явно наложила свой отпечаток на компоновку мотоустановки. Четыре мотора стояли в ряд на крыле, а еще два – в специальной гондоле на фермах над фюзеляжем. В этой гондоле М-34 располагались тандемом – один с тянущим, а другойс толкающим винтом. Туполев явно использовал установку, ранее спроектированную для гидросамолета, – там надо приподнимать моторы и винты повыше, чтобы уберечь их от водяных брызг на взлете и посадке. Похоже, что такое решение считалось временным. Если бы удалось заполучить двигатели большей мощности, то их бы установили вместо М-34 на крыле, а верхнюю установку – ликвидировали. Предусматривался и седьмой мотор – вспомогательный, приводивший так называемую «центральную электростанцию» фирмы «Сименс». Двухтактный мотор от мотоцикла мощностью 7 л.с, крутил вал генератора. По современным меркам «центральная электростанция» давала совсем мало- 2,5 КВт. На серийных ТБ-4 собирались использовать отечественный двигатель от мотоцикла Л-300 (скопированный с английского) и копию же генератора «Сименс», которую делал завод им. Лепсе.
Все двигатели самолета питались из бензобаков в крыле. Всего баков имелось восемь – два в центроплане и шесть в консолях. Общая их емкость равнялась 8500 л. Для подачи горючего к моторам верхней тандемной установки предусмотрели электронасос и запасной ручной («альвейер»).
В перспективе рассчитывали оборудовать самолет системой дозаправки в воздухе. Это значительно увеличило бы радиус действия бомбардировщика. В качестве танкера («бензиноносца») собирались использовать тоже не маленький пятимоторный АНТ-14 (о нем будет рассказано позже).
Количество и размещение стрелковых точек в ходе проектирования неоднократно менялось. Так, в феврале 1931 г. УВВС были представлены два варианта, отличавшиеся расположением огневых точек на крыле. По расположению турелей на фюзеляже оба совпадали. В носовой части самолета стояла 20-мм пушка, наверху за крылом – турель с 37-мм пушкой, в корме под рулем направления – спаренный 7,62-мм пулемет. Вооружение на крыльях подразделялось по-корабельному на два «плутонга» – левый и правый. По первому варианту каждый плугонг состоял из трех установок. За крайним мотором на передней кромке крыла имелся выступ с открытой турелью (видимо, типа Тур-6) под спаренный пулемет. На одной с ней оси на верхней поверхности плоскости находилась башня с 20-мм пушкой. Она должна была быть выдвижной: «стакан» с кольцом турели вьщвигался вверх из обтекателя-зализа. Третья установка располагалась в рогообразном выступе под крылом в плоскости крайнего мотора. Она тоже была открытой; в ней стояли два пулемета. По второму варианту передняя и задняя установки являлись экранированными. Экраны имели вид цилиндров с коническими секциями сверху и снизу. Застеклять их должны были целлулоидом. Стволы пулеметов торчали через вертикальные щели экранов, так что влево-вправо оружие перемешалось вместе с экраном. Верхняя башня отсутствовала. Интересно, что по заданию на бомбардировщике должны были стоять упоминавшиеся ранее пулеметы ПВ-1 в турельном исполнении (реально не существовавшем).
Позднее в ходе проектирования могучий арсенал несколько подсократился и пришел в соответствие с техническим заданием: две пушки и восемь пулеметов. 20-мм пушки «Эрликон» должны были размещаться в двух открытых турелях на фюзеляже – носовой и средней. Последняя стояла на специальной тележке и могла перекатываться с борта на борт, увеличивая поле обстрела. Для каждой пушки предусматривается боезапас в 150 патронов в сменных магазинах. Два пулемета монтировались в кормовой установке. Еще четыре пары пулеметов хотели поставить на крыльях- спереди и сзади. Большая толш;ина крыла позволяла стрелкам в полете свободно перемещаться из фюзеляжа к своим позициям в консолях по внутренним коридорам. Поскольку ПВ-1 в турельном варианте не появились, вполне логично перешли к спаренным пулеметам ДА – установкам ДА-2. На первом опытном образце ТБ-4 решили от огневых точек на крыле отказаться. Это назвали «1-м вариантом вооружения». При этом имелась только одна установка ДА-2 с боезапасом в 24 диска.
Бомбардировщик рассчитывался на обслуживание экипажем издесяти человек. В него входили передний артиллерист (артиллерийский техник, он же запасной бомбардир), командир самолета (штурман), главный бомбардир (второй штурман), два пилота, старший техник и два младших (одновременно являвшихся стрелками), радист-«фотист» (то есть фотограф, на ТБ-4 должен был стоять аппарат «Поттэ1Б») и еще один артиллерист.
Завершение проектирования шло фактически параллельно с постройкой опытного образца самолета. По состоянию на 15 мая 1931 г. Завод опытных конструкций (ЗОК) ЦАГИ уже вел сборку хвостовой части фюзеляжа, ферм лонжеронов и клепал оперение. К 1 января 1932 г. фюзеляж почти закончили, оперение тоже. Крылья были собраны и обшиты гофрированным дюралем, кроме носка. Шасси находилось в изготовлении. Проблема была в отсутствии моторов М-34. Завод № 24 только разворачивал их производство, двигателей не хватало даже для опытных самолетов. В ЦАГИ рассчитывали, что если моторы прибудут вовремя, то удастся выдержать плановые сроки и выставить машину на аэродром к 1 мая.
Но просчитались. М-34 продолжали мучительно доводить, более мощные двигатели ФЭД в октябре 1931 г. только начали делать в опытных образцах. Все сроки прошли.
4 июля 1932 г. постановлением СТО постройка ТБ-4 была объявлена первоочередной. Срок готовности сдвинули на 1 ноября. Главное управление авиационной промышленности (ГУАП) Наркомтяжпрома возражало, говоря, что этот срок нереален. Оно заявляло о возможности выставить самолет на испытания к 1 января 1933 г. Но и эта дата оказалась неосуществимой – лишь в декабре 1932 г. на завод пришли долгожданные моторы.
И тут конструкторов постигло новое разочарование. Серийные М-34 по габаритам и посадочным местам существенно отличались от опытного образца, по чертежам которого проектировали мотоустановку самолета. Последовал очередной этап переделки чертежей, а кое-где и уже готовых узлов.
