Работая в НИИ-4 МО, группа Тихонравова провела громаднейшую расчетную работу и доказала, что с помощью пакетной ракеты, состоящей из одноступенчатых ракет с дальностью около тысячи километров, можно вывести на орбиту искусственный спутник Земли.

В последующие годы работы по искусственным спутникам Земли становились все более масштабными. Были разработаны научные основы управления спутниками различного назначения, проведения наблюдений и измерений координат искусственных спутников Земли. 14 июля 1948 года на научной сессии Академии артиллерийских наук М. К. Тихонравов выступил с докладом «Пути осуществления больших дальностей стрельбы ракетами», где предложил пакетную схему ракеты на базе существующих ракет. Свой доклад он заключил словами: «Таким образом, дальность полета ракет не только теоретически, но и технически не ограничена».

Доклад был воспринят скептически. К нему отнесся серьезно только Сергей Павлович Королев, работавший тогда главным конструктором ОКБ-1. Он специально приехал к Тихонравову в НИИ-4, увидел расчеты и графики и сказал окружившим его инженерам: «Вы — инженеры с большой буквы!» Королев ухватился за идею пакетной ракеты и наладил сотрудничество с Тихонравовым, воплотив его идеи в ракете Р-7. Тому есть документальные доказательства. Дневник Тихонравова свидетельствует о частых встречах с Королевым. Пункт о перспективности направления работ по пакетной схеме появился в эскизном проекте ракеты Р-3 в 1949 году.

16 декабря 1949 года Королев направил в НИИ-4 техническое задание на выполнение научно-исследовательской работы «Исследование возможности и целесообразности создания составных ракет дальнего действия типа “пакет”». В сопроводительном письме к техническому заданию говорилось: «В связи с актуальностью работ по исследованию составных ракет типа “пакет”, проводимых в НИИ-4 МО под руководством члена-корреспондента Академии артиллерийских наук М. К. Тихонравова, НИИ-88 считает целесообразным заключение с НИИ-4 договора на эту работу с выдачей технического задания на ее выполнение».

В марте 1950 года в НИИ-4 МО состоялась научно-техническая конференция, на которой с большим докладом «Ракетные пакеты и перспективы их развития» выступил М. К. Тихонравов. Доклад показал возможность практической реализации составных ракет. В 1949–1950 годах группой Тихонравова был проработан двухступенчатый вариант «пакета» из трех ракет Р-3, стартовая масса каждой из которых была около 70 тонн, масса боевого заряда составляла три тонны, а дальность полета доходила до трех тысяч километров. В результате проведенных расчетов было установлено, что такой «пакет» может вывести на орбиту ИСЗ достаточно тяжелый груз.

Несмотря на неодобрение высокого начальства и сокращение группы Тихонравова до двух человек, Нестеренко продолжал поддерживать работу Михаила Клавдиевича. Они дружили семьями, все праздники и юбилеи отмечали вместе. Вклад Нестеренко, оценившего и поддержавшего группу Тихонравова в то время, когда еще никто не думал об искусственном спутнике, очень велик. Разве мог подумать тогда Алексей Иванович, что ему же будет поручено воплощать теорию в практику, вкладывая свой ум и энергию в создание космодрома Байконур, в испытания первой в мире пакетной межконтинентальной ракеты Р-7 и запуск первого в мире искусственного спутника Земли?

Алексей Иванович пишет, что «они своей работой заставили заниматься такие крупные, мощные организации, как ОКБ-1, НИИ-88». И далее: «Если бы я в свое время не предложил Михаилу Клавдиевичу работать на таких условиях, когда он сверх плана работал бы над задуманной им темой, не поддержал бы его, то вопрос об искусственных спутниках Земли у нас оттянулся бы еще на несколько лет. Группа М. К. Тихонравова сделала большое дело, и не случайно потом Сергей Павлович добился, чтобы М. К. Тихонравов был переведен в его КБ, где ему было поручено возглавить отдел перспективного развития ракетной техники».

Результаты исследований группы Тихонравова были изложены в отчетах НИИ-4 МО: «Исследование возможности и целесообразности создания составных ракет» (1950), «Исследование принципа ракетных пакетов для достижения больших дальностей стрельбы» (1951), «Выбор оптимальных вариантов ракет для стрельбы на большие дальности» (1952). На основании проведенных исследований в 1951 году был разработан и выслан в ОКБ-1 проект экспериментальной ракеты пакетной схемы, способной осуществить запуск ИСЗ.

Многие результаты исследований использовались при эскизном проектировании ракеты Р-7. Проект содержал раздел, посвященный проблемам создания ИСЗ, вывода его на орбиту и спуска на Землю. На официальной защите в 1956 году эскизного проекта первого ИСЗ С. П. Королев отметил, что проект спутника разработан в ОКБ-1 на основе исследовательских работ группы сотрудников НИИ-4 МО, возглавляемой М. К. Тихонравовым.

В апреле-июне 1948 года в НИИ-4 из Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского было переведено Научно-исследовательское бюро спецтехники ВВС (НИБС ВВС), возглавляемое кандидатом технических наук полковником Георгием Мироновичем Можаровским.

Сотрудники научно-исследовательского бюро были распределены по отделам института. Прибывшие с Г. М. Можаровским сотрудники были высококлассными специалистами, многие из них заняли в последующем высокие должности в институте и в других организациях — Г. С. Нариманов, П. А. Агаджанов, П. А. Мельников, А. В. Шишкин, Л. Т. Тюрин, М. М. Бавыкин.

Одновременно с изучением баллистических ракет дальнего действия и началом разработки их первых образцов были начаты поиски путей борьбы с ними, результаты которых нашли свое отражение в изобретении Г. М. Можаровского по созданию наземной системы противоракетной обороны по принципу «ракета против ракеты» при радиолокационном обеспечении. В процессе исследований был разработан аванпроект системы ПРО отдельного района от баллистических ракет с дальностью полета до трех тысяч километров, определены пути и потребные усилия для практической реализации этой системы. Один из разделов аванпроекта системы ПРО был посвящен выяснению и учету влияния отделяющихся частей ракет (обтекателя и др.), мешающих перехвату головных частей. Исследование роли отделяющихся элементов, являющихся одиночными радиолокационными отражателями, создало предпосылки для изучения в дальнейшем способов противодействия системам противоракетной обороны.