Один из самолетов М-4, проходивший войсковые испытания на аэродроме в г. Энгельсе, в 1955 г. был задействован в качестве своеобразной мишени при отработке военными летчиками из Центра боевого применения ВВС (одно из его подразделений базировалось тогда на аэродроме Разбойщина под Саратовом) методики атаки скоростного бомбардировщика с передней полусферы. Существовало мнение, что такие атаки при скоростях истребителя и бомбардировщика, приближающихся к 1000 км/ч, выполнить нельзя (в частности, к такому выводу пришли в США, где реактивные бомбардировщики В-47 и В-52 оснастили лишь кормовой стрелковой точкой, оставив переднюю полусферу незащищенной). «Огонь» по М-4 из кинофотопулемета открывался на предельной дистанции (около 3000 м), выход из атаки выполнялся вниз, под бомбардировщик (по словам летчика Е.М. Ильина, проводившего испытания, при «стрельбе» силуэт гигантского самолета по мере сближения постепенно занимал чуть ли не весь прицел истребителя МиГ-17). Было установлено, что МиГ-17 могут успешно атаковать реактивный бомбардировщик не только «в хвост», но и «в лоб», что оправдывало сохранение на М-4 мощного пушечного вооружения, обеспечивающего зону обстрела, близкую к сферической.
В 1956 г. на втором опытном М-4 отрабатывалось применение самолета в качестве торпедоносца, действующего против крупных морских целей, что значительно расширяло область боевого применения машины. Следует заметить, что в дальнейшем «морская , тематика» стала одной из главных для всех отечественных тяжелых бомбардировщиков, однако их основным оружием стали не торпеды, а противокорабельные ракеты.
Из-за недостаточной экономичности двигателей АМ-3 первые серийные бомбардировщики не показали требуемой межконтинентальной дальности (вместо 9500 км практическая дальность полета самолета М-4 с нормальной бомбовой нагрузкой 5000 кг составляла лишь 8500 км). Требовались работы по дальнейшему повышению ЛТХ бомбардировщика. Одним из путей решения возникших проблем была установка на самолет новых, более экономичных двигателей. В ОКБ были выполнены компоновочные работы и соответствующие расчеты вариантов самолета с двумя ТРД ВД-5 В.А. Добрынина, четырьмя и шестью АЛ-7 A.M. Люлька и четырьмя АМ-ЗФ А.А. Микулина (в частности, с четырьмя АЛ-7Ф самолет должен был иметь практическую дальность с 5000 кг бомб 12 000 км и потолок над целью 14 000 м). В 1956-57 гг. на самолет М-4 установили двигатели РД-ЗМ5, созданные под руководством П. Зубца. В дальнейшем их заменили на ТРД РД-ЗМ- 500А с тягой на максимальном режиме 9500 кгс, а на «чрезвычайном» режиме – 10 500 кгс. С новой силовой установкой самолет развил максимальную скорость 930 км/ч на высоте 7500 м и достиг потолка 12 500 м.
Большая дальность полета позволяла использовать бомбардировщик М-4 в качестве фоторазведчика для полетов в глубокий тыл противника. При этом требовалась небольшая доработка: с целью увеличения высотности с самолета снималась часть оборудования и вооружения, экипаж уменьшался до пяти человек, в грузоотсеке устанавливалось необходимое фотооборудование. В результате при дальности полета 8000 км удалось получить высоту над целью 15 000 м, как у английских бомбардировщиков серии «V».
В соответствии с постановлением СМ от 19 марта 1952 г. перед ОКБ-23 была поставлена задача спроектировать и построить высотный дальний бомбардировщик «28» с четырьмя ТРД ВД-5. 1 октября 1952 г. на рассмотрение ВВС был представлен эскизный проект самолета, а 1 декабря 1952 г. – его исполнительный макет. Государственная комиссия, рассмотревшая макет самолета, выдвинула ряд дополнительных требований, не предусмотренных ТТТ ВВС. Для их удовлетворения потребовалось внесение в конструкцию бомбардировщика значительных изменений. Так, например, заказчик потребовал увеличить номенклатуру и количество бомб (что повлекло за собой удлинение грузоотсека на 18%, усиление каркаса и некоторую перекомпоновку фюзеляжа), а также установить радиолокационный стрелковый прицел «Ксенон».
Исполнительный макет увеличенного грузоотсека был предъявлен комиссии 3 октября 1953 г. и получил одобрение.
Установка РП «Ксенон» явилась первой попыткой применения подобной аппаратуры на отечественном реактивном бомбардировщике, однако большие габариты станции (с случае сохранения и оптического прицельного поста) привели бы к уменьшению скорости полета на 30 км/ч и дальности полета на 6%. Предполагалось также сократить состав экипажа до шести человек (прорабатывался, также пятиместный вариант машины). Отличительной особенностью тактического применения самолета «28» являлась большая высота полета над целью, достигавшая 17 000 м.