時代背景
在這一背景下，蘇聯各大飛機設計局都憧憬著為紅海軍設計製造艦載機的光明前景。紅海軍於1947年向各個設計局諮詢輕型艦載轟炸機方案，要求將俯衝轟炸和魚雷攻擊能力集於一個機型上。同時要求新機型應使用噴氣動力，性能要超過二戰艦載轟炸機。以研製大型飛機聞名的圖波列夫設計局，和以研製強擊機著稱的伊留申設計局，為這一項目展開了激烈的競爭。權衡過種種利益關係、政治背景後，紅海軍要求圖波列夫設計局向其提交預研方案。
預研工作
圖波列夫設計局以該局的新型魚雷機構想為基礎，提出了代號為507和509的兩個艦載轟炸機方案。507方案採用單個渦輪螺旋槳發動機，而紅海軍最初鍾情的是509方案。509方案機體仿造圖-14轟炸機進行設計，中單翼單垂尾常規布局，機翼中段各裝一台VK-1離心式噴氣發動機。中單翼為平直翼設計，外段可以向上摺疊，尾部有著陸尾鉤。當構想中的大型航母以20節速度頂風行駛時，509方案機可以在火箭助推器的幫助下從航母甲板上起飛。而當時紅海軍尚未考慮為航母配置彈射器。
509方案實際上是圖-14轟炸機的艦載版，性能基本類似。如果作為陸基轟炸機，是可以滿足要求的。但509方案航程僅有1500千米，紅海軍一些權威們評估後，認為這不能滿足艦載魚雷轟炸機的需要。圖波列夫設計局經過研究後，認為主要問題在於VK-1離心式噴氣發動機耗油很大。作為艦載機又不能增大機體容納更多燃油，因此要增加航程，就必須換一種較為省油的發動機。
1950年代初，紅海軍正式提出建造中型航母，艦載戰鬥機、攻擊機和轟炸機的項目也正式上馬。交給雅可夫列夫設計局的的艦載戰鬥機項目定下的性能指標很高，其誘人的前景深受海軍讚賞。這也迫使圖波列夫設計局必須加快進度，以免在艦載機研製中落後於其他設計局。
於是原本被冷落的507方案成為了救命稻草。該方案為雙人機組魚雷轟炸機，平直下單翼，由蘇聯著名發動機企業--皮爾姆發動機廠研製的TV-2渦輪螺旋槳發動機安裝在機身中部、駕駛艙的後方，通過傳動軸驅動巨大的共軸反轉螺旋槳。渦輪螺旋槳發動機既有噴氣發動機的強大動力，又具有接近活塞發動機的經濟性。當時TV-2剛剛誕生，恰好507方案非常適合採用該發動機。同一時期英國艦載的“雙頭龍”魚雷機、YB。1轟炸機，以及美國道格拉斯公司的A-2D轟炸機都採用了渦槳動力。圖波列夫研究了當時西方艦載機的現狀和經驗，認定507方案將是一個折中的最佳選擇。緊接著方案修改為使用6250馬力的TV-2F改進型渦槳發動機，外翼段可摺疊，以此為基礎開始細節設計。同時，更強大的7650馬力TV-2M渦槳發動機也研製成功，並被列為候選動力裝置。
正式研製
到了1952年，隨著12000馬力的TV-12渦槳發動機研製成功，圖波列夫設計局把507方案修改為機翼略帶後掠、尾翼後掠35度，最高速度定為1000千米/小時。此時507方案又添對手，雅可夫列夫的艦載戰鬥機方案也具有相當的帶彈轟炸能力。因此紅海軍上層又構想可以以雅可夫列夫方案為基礎，研製一種兼有戰鬥、魚雷攻擊、轟炸能力的艦載機。但此後的事實證明這一想法多少有點天方夜譚，於是507方案最終獲得紅海軍青睞，獲得了“圖-91”的項目代號。
圖波列夫設計局內隨即正式組建了圖-91設計組。設計局內部非正式的稱圖-91為“CPB15”，CPB是幾位總師的姓名開頭字母，15表示圖-91是緊跟在圖-14轟炸機之後的項目。1949到1953年，著名的設計局蘇霍伊正在圖波列夫設計局任職，他在圖-91的研製工作中發揮了重要作用。
1953年初，在史達林逝世前後，紅海軍對航母的渴望達到了最高點，又將各個艦載機項目的性能指標進行了拔高。4月29日，圖波列夫設計局收到蘇聯部長會議的正式命令，確定了圖-91項目的優先地位，並確定使用TV-2M渦槳發動機。命令中指明，圖-91不僅用在航母上，還要作為海軍陸基飛機使用。主要任務為魚雷攻擊、俯衝轟炸艦艇、水平轟炸和反兩棲登入。在起降性能方面要求能在跑道表面有雜物、積水的情況下全天候晝夜起飛。這對於當時的導航技術是非常高的要求，也說明紅海軍期望圖-91不僅能打擊西方水面艦艇，還要在灘頭轟炸盟國的兩棲登入部隊。
1953年9月，圖-91的性能指標確定為，空重12850千克，最大起飛重量14400千克；最大速度800到830千米/小時，巡航速度300千米/小時。升限11000米。攜帶一枚1000千克重的45-35 MAV魚雷，余油7%時，航程2100千米。最大穩定俯衝角度70度。起飛距離450米，降落距離400米。最多可載彈1600千克，一般載彈1000千克。
試飛驗證
圖-91第一架原型機由第156工廠製造，1954年4月完工下線，送往朱可夫斯基試飛中心試飛。圖波列夫設計局派出了多名資深工程師組成的試飛組。試飛由蘇聯英雄迪米特里·柳辛擔任飛行員，馬卡揚任領航員。經過一系列地面測試，1954年11月2日，圖-91首飛成功。從設計到首飛，圖-91的工作非常順利，幾乎沒有任何問題出現。
圖-91的全金屬機身廣泛採用了鋁合金和少量鎂合金，堅固而寬敞。起落架為前三點布局。巨大的機頭安裝了AV-44共軸反轉螺旋槳。螺旋槳軸長而突出，像一個尖鼻子。槳葉分為兩組，各有三個葉片，旋翼直徑4.4米。螺旋槳軸側下方有三個發動機進氣口，進氣道在座艙下方匯為一股與發動機連線。巨大的機身和機翼共有6個軟油箱，可容納3410千克T-1航空煤油。
在測試期間，原型機裝的是TV-2M發動機。此後改進型TV-2F和TV-12發動機面世。為了將這兩種發動機用於圖-91的量產型，索羅維耶夫發動機設計局專門研製了上述發動機配合圖-91使用的減速器和傳動系統。備選的TV-12渦輪螺旋槳發動機經過不斷改進，裝備了安-22、圖-95等多種大型飛機。
並列雙座座艙的風擋由多塊玻璃拼接而成，視野較為寬闊。機翼為略帶後掠角的全金屬下單翼，兩翼下方的吊艙內安裝了KURS對海搜尋雷達。機身較粗大，TV-2M渦槳發動機裝在機身中段，通過複雜的減速器和驅動軸與螺旋槳相連。機背專門設計了大型艙蓋，用於維護和更換髮動機。發動機下方是彈艙。翼根後沿是發動機排氣口。尾翼為正常布局。這種發動機“中置”的布局，對於圖-91這種中型飛機來說，可以使重心集中在飛機中心，提高飛機的機動性和可操縱性。
原型機的試飛證明，圖-91完全符合紅海軍的指標要求。其中正常載重提高到1050千克，最大航程2350千米，比509方案航程遠得多。試飛中達到的最高速度是0.76馬赫。在試飛中，圖-91曾裝載2700千克燃油和1000千克彈藥，達到了210O千米的航程。而使用噴氣發動機的伊爾-28如果要飛這個距離，則要消耗6000千克燃油。
圖-91攜帶一枚45-36魚雷在2380米高度巡航時，速度為665千米/小時，在8000米高度巡航時為690千米/小時。帶魚雷爬升到8000米，需時約14分鐘。滑跑起飛距離518米，降落距離522米，使用剎車時為438米。因此在航母上起飛時，必須藉助火箭助推器才能升空。還測試了在土跑道上的起飛能力。
原型機的載彈量在1200到1500千克之間。具體武器配置為，可攜帶一枚FAB-1500航空炸彈，或6枚FAB-150炸彈，或12枚FAB-100炸彈；或攜帶100到500千克深彈；反艦時攜帶一枚45-36MAN 低空水平投擲反艦魚雷，或一枚45-36 MAV傘投反艦魚雷，或3枚RAT-52火箭動力魚雷。布雷作戰時，圖-91可攜帶水壓引信水雷，或LIRA錨雷，或APM漂雷。炸彈、魚雷或水雷可以收藏在機腹彈艙內，也可以掛在機翼掛架上。機腹的伸縮式火箭發射器，可裝總計8枚TRS-212火箭彈，或36枚TRS-132火箭彈，或120枚TRS-85火箭彈，或120枚APS-85火箭彈。其中TRS-212威力巨大，設計局號稱能與巡洋艦的大口徑火炮炮彈威力相比。飛行員使用PBP-6M瞄準具進行俯衝轟炸或直線瞄準，水平轟炸時用OPB-11R瞄準具。
機身安裝兩門固定的R-23型23mm機炮，每門備彈100發；或2門30mm炮，各備彈70發。配一部FKP-2照相槍。機尾的DK-15遙控炮塔裝一門23mm炮，用於護尾，水平射界左右45度，可上仰55度，備彈200到300發。領航員通過一個向後的潛望鏡操縱尾部炮塔。1954年下半年，圖-91進行了火箭彈發射試驗，並藉助圖-14平台驗證了反艦魚雷等武器系統。
為提高生存力，原型機駕駛艙安裝了ALBA-1裝甲，厚度為8到16mm，裝甲總重568千克。鋼索、拉桿組成的操縱系統都採用了雙重備份。水平尾翼還有電動操縱備份。起落架通過液壓系統收放，也可以手動收放，機尾還有一個迫降時使用的尾撐。油箱內注有惰性氣體，油箱和發動機艙裝有二氧化碳自動滅火器。兩名飛行員都使用彈射速度為20米/秒的彈射座椅，該座椅裝有當時算是先進技術的正面風擋，避免飛行員被迎面氣流吹傷。
從外觀上看，圖-91可以用“醜陋”形容，頭部碩大累贅，有點傻氣。但是其作戰能力卻不容忽視。圖-91有機載無線電應答機、Gamma護尾告警裝置、RSB-5或RSIU電台、SPU-3R內部通話器、MATERIK盲降系統、RV-2無線電高度表、ARK-5無線電羅盤、AFA-BA航空攝影機，以及50年代初蘇聯作戰飛機的一些標準設備。可以看出，圖-91的機載電子設備是相當先進的。KURS雷達系統確保了圖-91能在視線外或惡劣氣象下發現敵艦，無線電高度表使其俯衝轟炸或超低空投雷時，能保證適當的飛行高度。而導航設備與當時的一般作戰飛機相比更是豪華。
1955年中，圖-91完成了初步試飛，被運往海軍試飛基地進一步測試。紅海軍代表加入到了試飛組中，對飛行性能、穩定性、導航、動力系統、載彈等多個項目進行了試飛。試飛員、設計師和海軍代表都深表滿意。海軍指示下一步應確定量產型的具體設計，解決零下30度氣溫時發動機啟動問題，增加第二套操縱系統以進行飛行教練，改裝更新式的通信和電子戰設備。第156工廠迅速造出了第二架圖-91原型機，基本符合海軍的改進意見。
不幸夭折
1953年，就在圖-91展翅欲飛時，史達林逝世，信奉飛彈萬能的赫魯雪夫上台。假如在西方國家，這並不會影響對國家發展具有關鍵意義的海軍建設計畫。但在蘇聯，長官意志很快將紅海軍的大洋夢扼殺了。
1955年，圖-91原型機參加了蘇聯航空新科技展覽，藉以向赫魯雪夫證明其優越性能。赫魯雪夫對機載大口徑火箭彈很有興趣，詳細詢問了具體性能。他說，既然這種彈藥可以和艦炮炮彈的威力相比，那么更加證明了大型水面艦艇只不過是“鐵棺材”，這樣的話艦載的圖-91還有什麼意義。來自圖波列夫設計局、紅海軍乃至空軍的官員都非常尷尬，但又無法申辯。儘管如此，1955到1956年，圖-91的試飛仍在繼續，進行了超過90個起降的試飛，量產圖紙甚至發到了工廠進行前期準備。為充分發揮圖-91的潛力，圖波列夫設計局還很快的拿出了反潛和電子戰兩種改型的設計方案。
在幾年之內，赫魯雪夫取消了幾乎全部大型艦艇建造計畫。航母項目首當其衝，很快下馬。圖-91變成了“空中樓閣”，無論圖波列夫設計局和156工廠領導怎么向上級申訴，也逃脫不了計畫取消的厄運。1956年夏，圖-91、伊爾-54戰術轟炸機和圖-98大型截擊機公開讓美國空軍訪問團參觀。美國人讚嘆之餘，卻不知道前兩個機型已經下馬了。北約集團給了圖-91正式代號：“靴子”(Boot)，並認為它將成為盟國艦隊的一個威脅。隨後幾架圖-91原型機永遠離開了藍天，廢棄在朱可夫斯基中心的角落，後來在基地擴建時，慘遭毀壞。
評價小節
在圖-91研製期間，曾有人批評其速度和機動性追不上噴氣時代的步伐，但後來的實踐證明，對於對地攻擊機型來說，要求低空性能良好，擁有裝甲保護，載彈量要大，速度和機動性反而不是最重要的指標。蘇-25、A-10等攻擊機就是很好的證明。在航母上搭載中型作戰飛機有很多限制，苛求其速度、機動性也是不現實的。圖-91在很多方面優於同時期的西方中型艦載機。
例如，英國的“塘鵝”艦載渦槳反潛機最大速度僅有499千米/小時，航程1500千米，遠低於圖-91的水平。美國當時計畫裝備的A-2D艦載攻擊機，最大速度900千米/小時，載重2500千克，和圖-91相當，航程卻只有1025千米。當然不可以簡單的說圖-91神乎其神，但足以證明圖-91的性能是相當突出的。“塘鵝”、A-2D和法國“貿易風”反潛機都使用了與圖-91類似的單發渦槳布局，說明這一布局是有生命力的。我們也無法見到圖-91的服役，更無法研究其實戰效能，但圖波列夫設計局的優秀設計，必將為世人所稱道。
圖-91基本技術數據：
翼展16.4米
長度17.7米
高度5.06米
翼面積 47.48平方米
91艦載魚雷機空重12850千克
最大起飛重量 14400千克
最大速度 800千米/小時
升限 11000米
航程 2350千米
