В задачи авиационного обеспечения ядерных испытаний входил отбор продуктов из облака взрыва для радиохимического анализа с помощью самолётных средств, оборудованных фильтр-гондолами. Отбор следовало проводить из различных мест радиоактивного облака с многократным заходом в него, с соответствующим разнесением полётов как по высоте, так и по времени. Отобранные пробы, необходимые для исследований срабатывания заряда, имели важное значение и для оценки экологических последствий взрывов. С отбором продуктов ядерного взрыва самолётными средствами неразрывно были связаны задачи защиты экипажей и дезактивации самолётов после полётов.
В середине лета 1951 года поступило распоряжение о перебазировании авиационной группы 71-го Полигона ВВС на Семипалатинский полигон (УП-2) для проведения испытаний изделия РДС-3 в режиме воздушного ядерного взрыва. Одним из основных вопросов, вызвавших значительную обеспокоенность, была проблема обеспечения безопасности самолёта-носителя и его экипажа при воздействии на самолёт ударной волны ядерного взрыва. Требовалось изыскать возможность проверки безопасности полёта до сброса атомной бомбы с самолёта-носителя.
В конечном счёте было принято решение совместить наземное ядерное испытание изделия РДС-2 при подрыве его на башне и лётные испытания самолёта-носителя Ту-4 в целях проверки действия нагрузок на самолёт при встрече его с ударной волной, качественной оценки эффекта динамических нагрузок и условий пилотирования на заведомо безопасных расстояниях. Окончательно был принят вариант прямолинейного полёта самолёта Ту-4 над башней на высоте 10 км при соответствующей задержке момента взрыва изделия РДС-2, обеспечивающей уход самолёта на заведомо безопасное удаление от места взрыва – до 20 км.
Изделие РДС-2 установили на высоте 30 м на металлической башне. Для проведения эксперимента подготовили два самолёта Ту-4 с экипажами. Взлёт запасного самолёта Ту-4 с экипажем капитана Усачёва К. И. произошёл 24 сентября 1951 года, в 14 ч 16 мин. В момент нахождения самолёта на расчётном удалении от цели, в 16 ч 19 мин, был произведён ядерный взрыв РДС-2. Мощность взрыва РДС-2 (38 кт) оказалась почти в два раза больше, чем взрыва РДС-1. По докладу экипажа, ударная волна воздействовала на самолёт на удалении 24,2 км от точки взрыва. Особых затруднений в пилотировании самолёта при световом излучении взрыва и воздействии ударной волны не возникло.
Измеренное значение избыточного давления в ударной волне было примерно раза в три меньше расчётного. При проведении послеполётного осмотра самолёта нарушений его конструкций и отказов в работе специального электро- и радиооборудования не было обнаружено. Состояние самолёта, впечатления экипажа по управлению в условиях взрыва, результаты измерений воздушной ударной волны при значительной мощности взрыва вселяли надежду на возможность обеспечения безопасности самолёта-носителя при воздушном испытании изделия РДС-3.
Перед выполнением ответственного испытания, намеченного на 18 октября 1951 года, каждый экипаж самолёта Ту-4 запланировал и успешно выполнил два тренировочных полёта со сбрасыванием на цель авиабомб ФАБ-1500 в инертном снаряжении, а также по одному макету изделий (без автоматики и заряда). Общая продолжительность подготовки авиагруппы к ядерному воздушному испытанию с выполнением тренировочных полётов, проведением наземного ядерного взрыва, отработкой взаимодействия со всеми службами составила три месяца.
Ядерные испытания атомной бомбы РДС-3 были назначены на 18 октября 1951 года. Выполнение полёта со сбросом атомной бомбы в первом воздушном испытании было доверено экипажу самолёта-носителя Ту-4 в составе:
командир экипажа – Герой Советского Союза подполковник Уржунцев К. И.;
помощник командира – старший лейтенант Кошкаров И. М.; штурман-навигатор – капитан Суворов В. С.;
штурман-бомбардир – капитан Давыдов Б. Д.; штурман-оператор – старший лейтенант Кирюшкин Н. Д.;
радист – младший лейтенант Яковлев В. В.;
бортинженер – майор Трофимов В. Н.;
командир огневых установок – рядовой Евгодашин А. Ф.;
борттехник – старший техник лейтенант Кузнецов А. Ф.;
инженер-оператор по работе с пультом управления изделием – инженер-испытатель от 71-го Полигона ВВС, старший техник лейтенант Стебельков А. Н.
В строю с самолётом-носителем находился самолёт-дублёр. В экипаж самолёта-дублёра Ту-4 входили:
командир экипажа – капитан Усачёв К. И.;
помощник командира – старший лейтенант Киреев В. И.; штурман-навигатор – капитан Пастунин А. А.;
штурман-бомбардир – старший лейтенант Саблин Г. А.; штурман-оператор – старший лейтенант Свечников Н. И.; радист – старший сержант Золотарёв В. Б.;
бортинженер – старший техник лейтенант Черепанов П. П.; командир огневых установок – старший сержант Борздов Н. Д.; борттехник – старший техник лейтенант Золотухин Ф. И.; техник-испытатель – старший техник лейтенант Благов Л. А.