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Fue el primer avión intercontinental portador de armas nucleares que entró en servicio. 'Hijo de la Guerra Fría' y coetáneo del Tu-95, el M-4 se creó especialmente para el envío de armas de respuesta al territorio de EEUU, pero la historia de la aviación acabó dándole un papel mucho más modesto y pacífico. Los estadounidenses lo bautizaron con el nombre de 'Bisón'.
Habiendo creado su bomba atómica cuatro años después que los estadounidenses, la URSS no solo disponía de un arsenal nuclear menor, sino que no tenía medios para lanzar respuestas sobre el territorio enemigo. Pero la creación de un bombardero intercontinental era una tarea muy difícil para cuya realización había que lograr un avión con unas extraordinarias características técnicas de vuelo. En un primer momento, la tarea se le encargó al constructor Andréi Túpolev, pero rechazó la oferta de forma categórica y defendió su postura personalmente frente a Stalin.
Envergadura de las alas: 50,53 metros
Superficie alar: 326,35 m2
Velocidad máxima: 947 km/h
Autonomía de vuelo: 8100 km
Techo de servicio: 11000 km
Carga útil: 9.000 km normal, máximo de 24.000 kg
En la construcción del primer avión de pruebas trabajaron tres turnos y unos pocos meses después ya estaba listo para el despegue. El M-4 realizó su primer vuelo de diez minutos el 20 de enero de 1953. Después de este vuelo, como parte de la primera etapa de pruebas de fábrica, siguieron otros 27.
La principal arma del M-4 debería ser la bomba termonuclear RDS-37 con una potencia de 2,9 Megatones. Con ella se podía aniquilar toda una ciudad o un barrio industrial. Además de esto el avión podía portar bombas nucleares y convencionales de menor potencia, minas marinas, torpedos y bombas teledirigidas. El M-4 iba equipado también con un potente armamento defensivo: nueve metralletas de 23 mm NR-23 o seis metralletas de 23 mm AM-23.
El M-4 fue el primer portador de armas nucleares intercontinentales que se introdujo en las tropas de combate: el avión fue introducido en la Fuerza aérea unos meses antes que su primer competidor directo, el bombardero estratégico estadounidense B-52.
Sin embargo, la entrada en funcionamiento del nuevo bombardero fue complicada. Las principales dificultades surgieron con el sistema de dirección cuyos fallos fueron, que fue durante mucho tiempo el principal problema del nuevo avión. La opinión general era que el aparato era demasiado duro de dirección, especialmente en el despegue y el aterrizaje, y para pilotar de forma manual había que ejercer un gran esfuerzo físico. Además, el sistema de ventilación no era lo suficientemente potente. Para volar los pilotos tenían que utilizar un abrigo caliente de piel ya que a grandes alturas la temperatura en la cabina bajaba casi a cero.
En los primeros años de uso el avión tuvo múltiples accidentes y no menos de seis siniestros. Finalmente en la ciudad de Engels, que se había convertido en la base de los M-4, tuvo lugar un motín: las mujeres de los pilotos salieron a la pista de despegue para detener los vuelos. Pero debido a las complicaciones en la remodelación del M-4 para la "bomba del Zar"  la primera carga termonuclear fue lanzada desde el Tu-95.
En total se construyeron 32 bombarderos, tres de los cuales quedaron destruidos en las pruebas con resultado mortal para la tripulación.
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Pero el principal problema que se descubrió durante las pruebas fue la distancia de vuelo: la máxima distancia que alcanzó el M-4 fue tan solo de 9.500 kilómetros dos veces menos de lo establecido. Con esos indicadores volar hasta los EEUU, lanzar una bomba y volver resultaba imposible.
La única forma efectiva de resolver este problema era el repostaje en vuelo. Se creó un sistema especial para el M-4, el Konus que de hecho convertían al bombardero en un tanque de combustible. Finalmente el 8 de febrero de 1957 el M-4 con dos repostajes alcanzó los 14.500 kilómetros en 17 horas.
Sin embargo, para entonces ya había aparecido una modificación moderna del bombardero, el 3M. Por eso se tomó la decisión de reconvertir todos los M-4 en aviones de repostaje que se utilizarían hasta comienzos de los años 90. En agosto de 1997 todos los aviones de la serie fueron retirados y convertidos en chatarra.