В конечном итоге уникальный испытательный комплекс Ту-95—202 был отработан. По результатам совместных испытаний (Минсредмаш, Минавиапром и ВВС) самолет был рекомендован для проведения натурных ядерных испытаний зарядов большой мощности. Однако натурные ядерные испытания с использованием этого комплекса затягивались. Из-за отсутствия ясности по срокам испытаний самолет Ту-95—202 для последующей временной эксплуатации был отправлен в Дальнюю авиацию в 409 тбап 106 тбад 2 отбак аэр. Узин (с 1957 по 1961 г.).
В связи с выходом из моратория по испытанию ядерных боеприпасов 1958—1961 гг. и принятием решения об испытаниях в 1961 г. с привлечением этого комплекса, а также необходимостью реализации накопленных экспериментальных материалов по защите самолетов от воздействия поражающих факторов взрыва самолет Ту-95—202 был дополнительно доработан на заводе № 18 (гор. Куйбышев) в августе – сентябре 1961 г. Эта доработка сводилась к нанесению светозащитных покрытий на облучаемые поверхности самолета, винты двигателей и к защите кабин экипажей светонепроницаемыми шторками.
К концу сентября самолет Ту-95—202 был перебазирован на Кольский п-ов на аэродром «Оленья». При подготовке к испытанию супербомбы был выполнен цикл подготовительных работ. Особое внимание было уделено специальной подготовке экипажа самолета Ту-95В. После наземной подготовки и изучения района был произведен облет маршрута испытательных полетов.
20 сентября 1961 г. самолет Ту-95—202 с командиром экипажа заместителем командира эскадрильи 409 тбап 106 тбад 2 отбак майором Дурновцевым А.Е. выполнил полет в условиях ядерного взрыва в составе отряда самолетов Дальней авиации. При этом воздушном ядерном испытании самолетом-носителем был Ту-16 с командиром экипажа Мартыненко В.Ф. Второго октября экипаж самолета Ту-95—202 выполнял полет уже в качестве дублера при испытаниях термоядерного заряда с самолета Ту-16 (командир экипажа Мартыненко В.Ф.). Однако в связи с отказом в полете на самолете Ту-95—202 одного из двигателей пришлось возвратиться на базу вылета досрочно. В этом полете одновременно участвовали два отряда самолетов-носителей 3М. Отряды самолетов Дальней авиации в полетах осваивали опыт боевого применения ядерного оружия и обхода радиоактивного облака ядерного взрыва.
На 6 октября 1961 г. был назначен испытательный полет, где в качестве самолета-носителя термоядерной бомбы впервые был экипаж Дурновцева А.Е. В изделии испытывался заряд большой мощности в корпусе супербоибы, но это была не супербомба.
Для подготовки и проверки готовности личного состава участников испытательного полета и технических средств полигона была проведена генеральная репетиция с привлечением всех средств со сбрасыванием «изделия 202» без основного заряда с самолета-носителя Ту-95—202.
Испытание супербомбы было назначено на 30 октября 1961 г. Руководителем испытаний был Николай Иванович Павлов – начальник 5-го главного управления Минсредмаша. В руководство испытаниями входили: от ВВС Сажин Н.И. – начальник 6-го управления при Главкомате ВВС; Чернорез В.А. – начальник 71-го полигона Куликов С.М. являлся ведущим инженером по испытаниям (начальник НИЧ 71-го полигона ВВС), Воскресенский М.Г. (71-й полигон ВВС) – руководитель полетов. При этом испытании основного идеолога конструкции заряда – Сахарова А.Д. – не было ни в районе подготовки изделия, ни в районе опытного поля полигона. Он в это время находился в Арзамасе-16. Руководитель испытаний Н.И. Павлов имел с ним связь по ВЧ-каналу. Подготовка изделия к испытаниям проводилась специалистами от Минсредмаша под руководством Негина Е.А. и Забабахина Е.И.
Сроки испытаний супербомбы были приурочены к проходящему в Москве XXII съезду КПСС. Для контроля хода подготовки к испытанию супербомбы и непосредственного участия в нем на Новоземельский полигон по поручению высшего партийного руководства были командированы делегаты партийного съезда министр Минсредмаша Славский Ефим Павлович и заместитель министра обороны Маршал Советского Союза Москаленко Кирилл Семенович. Убедившись в состоянии готовности к испытанию, Славский Е.П. и Москаленко К.С. окончательно подтвердили дату «Ч» – на 30 октября 1961 г. и накануне дня испытаний перелетели на о-в Новая Земля для личного наблюдения за этим уникальным взрывом.