Осенью Геннадий Иванович отправил Орлова вместе с мичманом Николаем Матвеевичем Чихачёвым на шестивесельной шлюпке вверх по реке Амгуни. Командировка длилась два с лишним месяца. Офицеры вернулись с обстоятельными сведениями, положившими начало дальнейшим исследованиям края. Через месяц, с началом холодов и снегопада, Орлов получил задание от Невельского отыскать пограничные столбы, которые видел Миддендорф, и выяснить, наблюдают ли за ними маньчжуры. Дмитрий Иванович нанял двух гиляков проводниками, и на нартах они тронулись в путь. Вернулся он со своими спутниками под Новый год.
Ночевали два месяца в снегу, иногда при 25 градусах мороза. Каждая ночёвка была пыткой. Если везло, то находили ночлег у жителей какой-нибудь деревушки. Непривычному человеку ночевать в юрте было нелегко. Нарты втаскивали внутрь, чтобы спасти продовольствие от голодных собак. Зловоние в помещении от гнилой рыбы, варева для собак, запаха никогда не мытых человеческих тел, физиологических отправлений производило на новичков ошеломляющее впечатление. К этому следует добавить дым от очага и трубок хозяев, которых не курили только грудные младенцы. Завершало всё это великолепие несметное число насекомых и множество крыс, которые, судя по всему, не очень беспокоили хозяев. Аборигены, пораженные знаниями Орлова многих местных языков и наречий, принимали его без страха и откровенно отвечали на вопросы.
Пока опасения по поводу китайцев не подтверждались. Всего в ту поездку Дмитрий Иванович проехал свыше 200 вёрст. Большую часть пустынного дикого пути они с проводниками прошли на лыжах, по колено в рыхлом снегу, прокладывая путь собачьей упряжке. Вернулся Орлов 23 декабря, а уже 10 января 1852 года он опять попрощался с женой и детьми, чтобы следовать в ещё более трудную командировку. Задор и нетерпение подстёгивали Невельского, хотелось многого и сразу.
В самые сильные морозы отправился Орлов на собаках в Тугурский край, к верховьям рек Уди и Амгуни, где на картах обозначалась граница с Китаем. Ходили слухи, что там обосновались беглые русские каторжники с Нерчинских заводов. Невельской поручил Дмитрию Ивановичу проверить, так ли это.
Орлов сам отыскал себе попутчика, тунгуса, знавшего язык нейдальцев, обитавших по берегам Буреи, и они отправились в неведомые земли. Тридцать девять дней на собаках, оленях и пешком. Двести пятьдесят вёрст в мороз, по горам, заваленным снегом лесам, сквозь метели и вьюги.
Дмитрий Иванович составил карту пути, определил широту и долготу всех встреченных селений. Но это было так, безделица, по сравнению с совершённым им открытием.
Не фантастические глубины, обнаруженные Невельским в устье Амура, где и поныне не могут решить проблему улучшения условий судоходства, решили судьбу Приамурья и Приморья, а направление пограничного Хинганского хребта между южными истоками реки Уды.
Орлов привёз сведения, что Хинганский хребет, принятый по Нерчинскому трактату 1669 года за границу между Россией и Китаем, направляется от верховьев реки Уды не к северо-востоку, а к юго-западу. Он убедился в том, что ни в Тугурском, ни в Удском краях, ни вдоль южного склона Хинганского хребта нет и никогда не было пограничных столбов и знаков, которые неведомо как узрел Миддендорф. Посланец Академии наук увидел лишь сложенные местными жителями кучи камней, которыми те обозначали стойбища и удобные перевалы, а фантазия дорисовала пограничные столбы и китайцев-пограничников. Если бы учёный муж удосужился поговорить с кем-нибудь из обитателей тех мест, то ему всё бы доступно пояснили.
Работу штурмана Орлова подтвердил и дополнил лейтенант Николай Константинович Бошняк. Трудами двух самоотверженных офицеров было доказано, что согласно точному смыслу первого пункта Нерчинского трактата весь нижний Амурский и Уссурийский бассейны до моря принадлежат России, а не Китаю. Это открытие полностью меняло ситуацию на Дальнем Востоке. Получив информацию о результатах исследований Орлова и Бошняка, русское правительство изменило свою дальневосточную политику.
Три морских офицера – Невельской, Орлов, Бошняк – и генерал Муравьёв совершили переворот в истории Российского государства на востоке.
Но вернёмся к будням наших героев. Амурская экспедиция жила впроголодь всю зиму с 1851 на 1852 год. На год каждой семье досталось по 6 фунтов чая, 10 фунтов сахара и 20 фунтов муки (1 фунт = 409,5 г). Большая часть продовольствия погибла на «Шелихове». Можно, конечно, сказать, что за всё отвечает капитан, но старшим на борту был Невельской, он вмешивался в управление судном. Завойко имел основания обвинять начальника Амурской экспедиции в том, что тот погубил два транспорта, а это не могло не сказаться на снабжении людей. Особенно тяжело приходилось рядовым матросам, казакам и их семьям. Следует ли удивляться появлению цинги, которая быстро распространилась среди обитателей Петровского поста? Болезнь унесла жизни и взрослых, и детей.
С наступлением весны Невельской поручил Орлову заведовать и нижними чинами, и всем казённым имуществом экспедиции. За короткое тёплое время построили очень много, даже примитивный кирпичный заводик. Помимо этого, Орлов по приказанию Невельского отправился в августе на маленьком четырёхвесельном ялике исследовать фарватеры лимана. Погода была отвратительная: хлестал дождь, сильный ветер поднял волнение. В мелководном лимане волны швыряли ялик так, что с большим трудом удавалось удержать его от переворота. Ни о каких измерениях глубин не могло быть и речи в таких условиях. С большим трудом Орлову и матросам удалось догрести до берега. Назад по Амуру было не вернуться. Тогда он прошёл в залив Де-Кастри, перетащил с матросами ялик через перешеек у мыса Сущёва и по речушке и озёрам вышел на Амур, по которому возвратился в Петровское.
В ночь с 15 на 16 июля 1852 года пять матросов сбежали на вельботе из Мариинского поста. Малопонятно, на что они рассчитывали, видимо, просто уже не могли терпеть каждодневную каторгу. Невельской организовал преследование. Однако дезертиров не обнаружили. Они сгинули без следа. Не нашёлся даже вельбот. А может быть, преследователи и не очень старались: матросы захватили с собой оружие, ничего хорошего их не ждало, поэтому терять им было нечего.
Все заботы, касающиеся снабжения экспедиции, Невельской свёл к написанию многочисленных рапортов и отношений.
Вместо налаживания деловых дружеских отношений с начальником Аянского порта и фактории Александром Филипповичем Кашеваровым он слал ему предписания, требуя снабдить экспедицию всем необходимым. Тот объяснял, что не может выходить за пределы норм, разрешённых ему правлением. Потеря упомянутых выше судов – удар по компании, он сам не получил из-за этого всего необходимого. И тем не менее Кашеваров из собственных скудных средств кое-что послал Невельскому, на свой страх и риск. Зная, что Орлов и Березин – сотрудники Российско-американской компании, он направлял им рекомендации и указания. Невельской, не считая нужным входить в объяснения с Кашеваровым о том, что они теперь находятся в его подчинении, запретил Орлову и Березину не только выполнять указания начальника фактории, но даже отвечать на его письма. Возникла никому не нужная конфликтная ситуация.
Нарушая субординацию, Невельской слал письма с требованиями поставок продовольствия и вещей первой необходимости в главное правление компании в Петербурге, написанные в таком тоне, будто там сидели его подчинённые. Генерал-губернатор Восточной Сибири был вынужден поставить капитана 1‑го ранга на место, сделав ему письменное внушение: «…должен заметить Вашему Высокоблагородию, что выражения и самый смысл этих бумаг выходит из границ приличия и, по моему мнению, содержание оных, кроме вреда для общего дела, ничего принести не может».
