Для проведения этого эксперимента было подготовлено два самолета Ту-4 с экипажами: один как основной, второй — в качестве запасного. Испытание было назначено на 24 сентября. С учетом обеспечения взрыва изделия РДС-2 в назначенное руководством время вылет основного самолета с экипажем подполковника Уржунцева К.И. был намечен на 7 ч 11 мин местного времени. Из-за плохих метеоусловий взлет самолета Ту-4 переносился трижды и был произведен в 10 ч 11 мин. После взлета погода в районе опытного поля опять ухудшилась, и после неоднократных заходов на «цель» и выработки горючего самолет произвел посадку на взлетно-посадочную полосу (ВПП) аэродрома вылета. Взлет запасного самолета Ту-4 с экипажем капитана Усачева К.И. с улучшением погоды был произведен только в 14 ч 16 мин. В районе цели погода опять стала ухудшаться. Вынуждены были сократить программу выполнения заходов на цель. «Боевой полет» был произведен на высоте 10000 м без предварительного «холостого» захода. В момент нахождения самолета на расчетном удалении от цели была передана серия тонально-модулированных сигналов для включения автомата пуска аппаратуры опытного поля. После передачи исполнительного сигнала с задержкой в полторы минуты в 16 ч 19 мин 24 сентября произведен ядерный взрыв РДС-2. Мощность взрыва РДС-2 оказалась почти в два раза больше, чем мощность взрыва РДС-1. По докладу экипажа ударная волна на самолет воздействовала на удалении 24,2 км от точки взрыва. К моменту прихода ударной волны, как это было рекомендовано Туполевым А.Н., самолет без изменения режима полета при ручном управлении (с отключенным автопилотом) удерживался в горизонтальном положении. К моменту прихода ударной волны была произведена полная разгерметизация кабин самолета, экипаж перешел на кислородное питание. (Разгерметизация кабин самолета произведена для исключения последствий от возможной разгерметизации ее при воздействии ударной волны; мгновенное изменение давления в кабине может вызвать потерю работоспособности членов экипажа.) Особых затруднений в пилотировании самолета при световом излучении взрыва и воздействии ударной волны не возникло. Измеренное значение избыточного давления в ударной волне было примерно раза в три меньше ожидаемого расчетного.
При проведении послеполетного осмотра самолета нарушение его конструкций и отказов в работе специального электро — и радиооборудования обнаружено не было. Состояние самолета, впечатления экипажа по управлению самолетом в условиях взрыва, результаты измерений воздушной ударной волны при значительной мощности взрыва вселяли надежду на возможность обеспечения безопасности самолета-носителя при ядерно-воздушном испытании изделия РДС-3 — сбрасывании его с самолета. Тем не менее, Игорь Васильевич еще настойчивее призывал специалистов к более тщательному анализу всех аспектов этого вопроса. Особенно его беспокоила возможность существенного прироста мощности взрыва по сравнению с РДС-2, или как он выражался: «…а посмотрите, что будет, если мы поддадим еще?». По его поручению Садовским М.А., Зельдовичем Я.Б. и Забабахиным Е.И. были проведены уточненные расчеты ожидаемого воздействия взрыва на самолет на основе данных, полученных при испытаниях изделия РДС-2. Такой расчет был выполнен для условий бомбометания с высоты 10000 м при взрыве изделия РДС-3 на высоте 400 м с уходом самолета-носителя от цели по прямой без изменения высоты и скорости полета. Заместитель генерального конструктора ОКБ-156 Архангельский А.А. и начальник ЦАГИ Макаревский А.И., рассмотрев уточненные расчеты, выдали положительное заключение на такой полет самолета-носителя Ту-4. Однако они считали величину восходящего потока значительной с точки зрения пилотирования самолета и требующей от летчика особого внимания и удержания самолета в горизонтальном положении и выполнения в полете ряда рекомендаций. Перед выполнением ответственного испытания, намеченного на 18 октября, каждым экипажем самолета Ту-4 были запланированы и успешно выполнены два тренировочных полета со сбрасыванием на цель авиабомб ФАБ-1500 в инертном снаряжении, а также по одному макету изделий (без автоматики и заряда).
