在上世纪20年代末，苏联的航空工业取得一定发展，并且提出了很多雄心勃勃的设想，其中就包括可以运载10吨以上货物的重型运输机。到了1931年，重型飞机TB-6项目出现，它的其中一个发展思路是一种重型轰炸机项目，由图波列夫操刀设计。
TB-6在1932年初步确定了基本数据，计划中飞机最大起飞重量约70吨，机长38米，翼展95米。作为一款超大翼展的重型轰炸机，设计TB-6对当时任何国家来说都是一大困难，虽然TsAGI解决了飞机基本的空气动力学和结构振动方面的设计问题，但也只是理论上具备可行性。
飞机结构将大量使用稀有的钼合金管和普通钢管搭建框架，再覆以波纹蒙皮，全金属的TB-6采用大升力机翼，为了增加稳定性安装了3面垂尾，起落架为不可收放的后三点式，主起落架安装在机翼下方，所有起落架都有专门的整流罩降低飞行阻力。
飞机需要使用较大、较长的钼合金管制成框架，以此保证必要的结构坚固，比如设计中就需要一种直径200毫米、长8米的铬钼合金管，不过这也带来了大麻烦，因为当时的苏联工业根本无法生产这样的材料，只能转而向外国购买，官方要求国内相关工业在1934年具备钼合金的生产能力。
为这架大飞机提供动力的是12台M-34FRN V12水冷活塞发动机，M-34是苏联在30年代研发的航空发动机，M-34FRN是功率大幅提升的修改版本，单台发动机可输出1200马力，不过这款发动机在当时尚在研发中。数量众多的发动机中有8台独立安装在机翼前缘的发动机舱内，在每侧机翼上方还有另外一座串联安装的发动机舱，这里的发动机采用前拉后推的方式布置。
大翼展的机翼可以提供充足的升力，但却不支持高速飞行，预计飞机可以达到275千米/小时的最大飞行速度，巡航速度170千米/小时，实用升限5500米，机载燃油约13吨，作战半径超过1000千米。
这架大飞机需要多达17名机组，这是因为需要充足的人手来操作分布于机鼻、机背、机尾、机翼前/后缘上的武器，按照设计，TB-6将安装1门37毫米航炮、4门20毫米航炮以及约5挺不同型号的7.62毫米机枪，有些文章还提到ShVAK 12.7毫米机枪。这些机枪、机炮配置让TB-6变身成了火力刺猬，战斗机要攻击它可不容易。作为重型轰炸机，TB-6的炸弹挂载能力不俗，最大挂载15000千克炸弹，不过这会极大影响航程。
TB-6项目的进度困难重重，因为它的技术难度实在太大了，项目在1934年7月停止，当时制造了缩小模型，原型机的机身尚在建造中，如果项目能再坚持2年，TB-6原型机很可能升空飞行。
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