Летно-баллистические испытания первого бомбового изделия начались в первой половине 1948 года. С самолета Ту-4 осуществлялось бомбометание массогабаритными макетами «изделия» по Ногинскому полигону 4-го управления ГК НИИ ВВС. Летные испытания и исследования показали недостаточную устойчивость «изделия» на траектории падения. Требовались дополнительные меры по оптимизации конструкции за счет изменения формы обводов, положения центра масс, момента инерции. Дальнейшие летно-баллистические испытания «изделия» с «облагороженными» обводами корпуса и другими конструктивными уточнениями были продолжены на базе 71-го полигона.

На первом этапе с бомбардировщиков сбрасывали массогабаритные макеты будущей атомной бомбы. Затем на смену простым макетам пришли более сложные, оснащенные разнообразной самопишущей аппаратурой. В итоге были накоплены исчерпывающие материалы не только по баллистике, но и по линейным ускорениям, вибрационным перегрузкам. Многоканальные самописцы фиксировали распределение давления по корпусу «изделия», это помогло определить, в каких местах следует разместить приемники барометрических датчиков высоты.

Остатки макетов с самопишущей аппаратурой нужно было найти и извлечь из земли. Этим занималась полигонная команда. Зачастую «изделие» уходило в грунт Караларской степи на 6–7 м. Специальной техники для извлечения не было, солдаты работали лопатами. Особенно тяжело приходилось во время крымской слякотной зимы и ранней весны, когда полигонная команда была вынуждена добираться до «изделия» по бездорожью и раскисшим полям. Здесь выручали оставшиеся после войны американские «студебеккеры» и «доджи» — только благодаря им команда сохраняла мобильность.

Для отработки аэробаллистики «изделия 501» понадобилось примерно 30 бомбометаний с самолета-носителя Ту-4. После этого инженеры добились возможности прицельного бомбометания «изделия» и получили данные, необходимые для разработки автоматики будущей атомной бомбы.

К автоматическим системам «изделия 501» предъявлялись повышенные требования. Атомная бомба должна была взорваться только во время боевого применения и только в определенной точке. Нужно было исключить возможность любых несанкционированных детонаций: в аварийной ситуации, во время погрузки и других действиях с «изделием». Поэтому разрабатывались и изготавливались датчики и приборы, работающие на различных физических принципах, из них отбирались самые эффективные.

Вся автоматика также проходила испытания на 71-м полигоне ВВС. Поскольку опытных образцов было много и зачастую они отличались высокой сложностью, с самолета-носителя сбрасывали макеты с разной технической комплектацией. На этом этапе возникла еще одна сложность — на тот момент отсутствовали телеметрические системы, которые было бы возможно применить во время бомбометаний «изделий». Кроме того, нельзя было позаимствовать таковые где-либо еще: для испытаний обычного оружия необходимость в телеметрии до тех пор не возникала. Каким же образом можно было получить данные с приборов на летящем к земле макете? Как узнать, что экспериментальные электронные системы включаются вовремя и в необходимой последовательности?

Додумались использовать термические пиротехнические шашки разных цветов горения. Запалы шашек подключались к контролируемым цепям автоматики. Появился над летящим макетом дым одного цвета — значит, включился один прибор. Появился другой дым — значит, начался следующий цикл, и так далее. Операторы на пунктах внешнетраекторных измерений замеряли при помощи секундомеров время появления дыма.