В связи с ожидаемым увеличением диапазона мощностей испытываемых изделий возросли требования к составу самолётного комплекса измерительной аппаратуры, а также защите экипажа и самолёта от поражающих воздействий взрывов. Опытный образец самолёта-носителя Ту-16 в испытательном варианте разработало ОКБ-156 МАП, а практические доработки самолёта выполнили специалисты ОКБ на лётно-доводочной базе ЛИИ МАП. Доработанный самолёт после приёмки передали 71-му Полигону ВВС. В начале 1953 года, в соответствии с приказом Главкома ВВС, проходили государственные наземные и лётные испытания самолёта-носителя Ту-16, для чего была назначена специальная комиссия. С учётом доработок самолёт-носитель Ту-16 был оценён положительно, выданы рекомендации для проведения испытательных полётов на этом самолёте с изделиями РДС-3 и РДС-6с.
На трёх типах самолётов-носителей проводились важные объёмные работы по испытанию изделий. Впервые прошли испытания на безопасность посадки самолётов-носителей Ту-4 и Ту-16 с изделиями РДС-3 с зарядами (без ВВ и ДМ), снаряжёнными высокочувствительными капсюлями-детонаторами.
Продолжалась лётная отработка системы внешнего нейтронного инициирования и радиолокационных датчиков подрыва изделия. В интересах отработки этих систем выполнено более пятнадцати испытательных полётов. Проводились очередные контрольно-серийные испытания изделия РДС-3. На самолёте-носителе Ту-16 начались испытания РДС-бс по отработке аэробаллистических характеристик на макетах, а затем и системы автоматики.
Подготовка к проведению воздушных лётных испытаний термоядерных бомб закончилась к концу сентября 1954 года. С 8 по 30 октября того же года воздушные ядерные испытания впервые проводились при полётах самолётов-носителей Ту-16 со сбрасыванием атомных бомб РДС-3, а позже и термоядерных – РДС-6. Руководство испытаниями осуществлялось с ЦКП. Вместе с Курчатовым И. В. и Завенягиным А. П. на ЦКП при этих испытаниях находились министр среднего машиностроения Малышев В. А., первый заместитель министра Ванников Б. Л., заместитель министра Зернов П. М., главком ВВС Жигарев П. Ф., научный руководитель и главный конструктор КБ-11 Харитон Ю. Б., от 71-го Полигона ВВС – Куликов С. М.
Полёты самолётов Ту-16 выполнялись парой: ведущим был носитель изделия, а дублёр имел также функции лаборатории. Командирами экипажей были Головашко Ф. П. и Шендяпин А. С., менявшиеся от полёта к полёту функциями ведущего и дублёра. Радиоактивные продукты из облака взрыва брали два самолёта: Ил-28 и Ли-2. Измерение уровней радиоактивных излучений в облаке ядерного взрыва в дальней зоне (до границы с Китаем), оценка их развития (определение контуров облака) выполнялись двумя самолётами Ту-4, оснащёнными дозиметрической аппаратурой. Для защиты органов дыхания членов экипажей в полёте использовались изолирующие противогазы. К сожалению, один из полётов окончился трагически: погиб член экипажа Ту-4 из-за неисправности противогаза.
Самолёт Ту-16 по результатам наземных и лётных испытаний на 71-м Полигоне ВВС и натурных ядерных – на Семипалатинском полигоне приняли в 1955 году на вооружение ВВС в качестве носителя ядерных бомб типа «3» и «6» с присвоением индекса Ту-16А. Самолёты Ту-16А стали основными самолётами-носителями, обеспечившими более 80 % воздушных ядерных испытаний на Семипалатинском и Новоземельском полигонах.
Испытание изделия РДС-27 с такой же ожидаемой мощностью взрыва, как и РДС-6, предстояло провести при сбрасывании его с самолёта-носителя Ту-16. С учётом квадратичной зависимости уровней поражающих факторов от расстояния и ожидаемой мощности взрыва воздействие на самолёт-носитель возрастало на порядок. Заключение о безопасности полёта Ту-16 с изделием РДС-27 разработали и подписали Харитон Ю. Б., Негин Е. А., Музруков Б. Г., Чернорез В. А., Куликов С. М., а после рассмотрения и обсуждения утвердили Курчатов И. В. и Сажин Н. И.
Испытания изделия РДС-27 прошли 6 ноября 1955 года при сбрасывании с самолёта-носителя Ту-16 с высоты 12 000 м. Полёт выполнял экипаж во главе с командиром Мартыненко В. Ф. Проводились соответствующие измерения по заданной программе и наблюдения за развитием облака взрыва. Мартыненко В. Ф. отметил, что такого мощного воздействия ударной волны и теплового излучения на самолёт до сих пор не наблюдалось, обратил внимание на особенность пилотирования самолёта при ручном управлении, с отключённым автопилотом, а также на устойчивость и управляемость при воздействии ударной волны. Он сравнил воздействие серии отражённых волн с поездкой на «плохо подрессоренной телеге через разбитый железнодорожный переезд». Тщательно проверялось состояние специального оборудования и элементов конструкции самолёта. Повреждений и отказов не было зафиксировано. Результаты обработки самолётных измерений подтверждали соответствие полученной мощности ожидаемой расчётной.