В 1949 году в институте был создан конструкторский отдел. В него вошли лучшие инженеры-конструкторы из конструкторских групп научных подразделений, имеющие знания и опыт по проектированию экспериментальных двигательных установок на жидком, твердом и комбинированном топливах, приборов систем управления, головных частей и взрывателей, а также всевозможных испытательных стендов для лабораторной базы. Была создана единая конструкторско-производственная база в виде конструкторского отдела и экспериментальных мастерских для эффективного обеспечения научных исследований. Позже, в 1951–1955 годах, было завершено строительство нового производственного корпуса площадью 6185 квадратных метров для мастерских, которые были преобразованы в экспериментальный завод.

В целом с 1946 по 1954 год на территории института было построено семь капитальных лабораторно-производственных зданий суммарной площадью свыше 20 тысяч квадратных метров.

Нестеренко посетил ОКБ-1, познакомился с С. П. Королевым, а также со всеми руководителями КБ, занимающимися ракетами и оборудованием для их испытаний. Уже на стадии разработки он подключал свои научные подразделения к работам по их профилю. Тесное взаимодействие с разработчиками обеспечивало ускорение выполнения научно-исследовательских работ и их практическую ценность.

Начиная с первого плана НИР института, сформированного в 1947 году, значительная часть работ выполнялась в тесном взаимодействии с заказывающими управлениями и организациями Министерства обороны и промышленности — 4-м управлением Главного артиллерийского управления Министерства обороны, 4-м Государственным центральным полигоном Министерства обороны, ленинградским полигоном «Ржевка», Софринским артиллерийским полигоном, Академией химзащиты, ВА им. Ф. Э. Дзержинского. Основной проблемой, для решения которой строились отношения с научно-исследовательскими институтами и конструкторскими бюро промышленности, было создание первых управляемых баллистических ракет дальнего действия. Здесь НИИ-4 работал в тесном сотрудничестве с НИИ-88 Министерства вооружения, НИИ-885 Министерства промышленности средств связи, НИИ-1 Министерства авиационной промышленности. Совместно исследовались вопросы устойчивости полета ракет, изучались летно-технические характеристики (баллистика) ракет. С НИИ-125 Министерства сельскохозяйственного машиностроения, НИИ-6 Министерства химической промышленности, ОКБ Московского энергетического института, Государственным институтом прикладной химии проводились многие исследования топлив. Развивалось сотрудничество с Ленинградским государственным оптико-механическим заводом и другими организациями и предприятиями. При выполнении исследований в области зенитных ракет НИИ-4 тесно взаимодействовал с научно-исследовательскими институтами и конструкторскими бюро, выполнявшими заказы войск ПВО.

Генерал-лейтенант Юрий Александрович Мозжорин, служивший в 1947–1955 годах в баллистическом отделе Управления реактивного вооружения ГАУ, характеризуя этот период, писал: «Непрерывно шли испытания, частые продолжительные командировки, разрабатывались новые ракеты, дорабатывались старые, организовывалось серийное производство принятых на вооружение ракет дальнего действия. Подготавливались многочисленные документы по техническим характеристикам разрабатываемых и испытываемых ракет, на их доработку, устранение недостатков и усовершенствование отдельных агрегатов, систем и аппаратуры… Конструкторские бюро и заводы работали с удивительным напряжением и эффективностью».

Помимо традиционных методов взаимодействия между заказчиками и исполнителями научно-исследовательских работ, согласования технических заданий, приема результатов, выдачи заключений и т. д. широкое распространение получило непосредственное участие представителей заказывающих управлений в работе научных совещаний и научно-методических советов подразделений института, на которых рассматривались и обсуждались материалы итоговых и промежуточных отчетов, а также отдельные, наиболее важные результаты. Такая форма взаимодействия существовала на протяжении многих лет и способствовала более качественному выполнению научно-исследовательских работ и более полной реализации результатов.

Алексей Иванович лично посещал многие организации, знакомился с руководителями, договаривался о совместной работе. В ходе этих встреч определялись основные направления сотрудничества.

НИИ-4 добился больших успехов, часто опережая промышленные организации и конструкторские бюро в исследованиях перспектив развития новых видов вооружения и нередко подсказывая промышленности решение отдельных научно-технических задач. Исследуя вновь создаваемые боевые ракетные комплексы, институт завоевал авторитет и начал работы по обоснованию тактико-технических требований к ракетным комплексам и всем системам.