一是提高了轟炸機的節油性能和航程。轟-6K換裝了低油耗、重量輕的D-30KP-2渦扇發動機，該型發動機已經成功應用在伊爾-76和運-20大型運輸機上。為適應新的發動機，對進氣道、尾噴等做了針對性重新設計和修形，發動機進氣口明顯增大，使推力增加了30%，耗油量減少20%。
二是提高了空地打擊能力。與轟-6相比，轟-6K的主體承力結構沒有大改，但機翼下增加了外掛點，可掛載6枚長劍-10巡航導彈或KD88空地導彈，最大載彈量可達15噸，有效提高了單機和單次火力攻擊密度。為了能够攜帶重達數噸、體積龐大的鑽地彈，轟-6K將內部彈倉改為由大型可拆卸油箱組成的燃油艙，使之能够在鑽地彈與油箱間進行選擇，既具備鑽地打擊能力，又能滿足執行其他任務的需要。
三是采用了最新電子設備。對飛機的前機身進行了重新設計，使之變窄，變短。機頭換上全封閉的流綫形整流罩，加裝了新型火控雷達和搜索雷達。取消了機頭透明領航員艙和頜下雷達，改裝為雷達設備艙，安裝了新型前視紅外探測裝置和光學瞄准設備，加裝了GPS 北鬥衛星導航系統和標准數據鏈系統。為保證突防安全，轟-6上的機炮炮塔全部取消，尾部的無綫電操作員艙也被取消，改為電子艙，換裝成新型主動被動大功率電子幹擾設備。
四是提高了駕駛的適用性。轟-6K載員4人，共兩排，每排兩人，統一安排在機頭。分別為駕駛、副駕駛、電子戰/通信官和領航/轟炸官，全部前向乘坐，并安裝了獨立彈射座椅。進入座艙由前起落架改為由前機身左方開門進出。
飛機還換裝了包括電子飛行、慣導、外掛管理在內的綜合航電系統和玻璃化座艙，安裝了6個彩色數字式多功能顯示器，使操作大為簡化。同時，還用電傳操縱系統取代了原有的“硬式”助力操縱系統，不僅大幅減輕了飛行員的負擔、提高了飛行品質，而且可節省很大的結構重量。
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