Благодаря «истребительному» происхождению в варианте бомбардировщика самолет сохранил высокую маневренность вплоть до способности выполнять фигуры высшего пилотажа, что в сочетании с высокой скоростью давало летчикам возможность не только уходить от преследования, но достаточно успешно вести воздушный бой. В то же время летчики отмечали, что самолет более сложен в управлении, чем стоящие на вооружении СБ и ДБ-3. Особенно непростыми элементами были взлет и посадка, что при недостаточном уровне подготовки летного состава достаточно часто служило причиной летных происшествий.

В то же время достаточно примечательным является факт, что Пе-2 без особых сложностей освоили летчицы женского 587-го бомбардировочного авиационного полка[39], в отличие от молодых летчиков-выпускников летных школ уже имевшие достаточный летный опыт, преимущественно в качестве инструкторов.

К началу войны в штате ВВС Западных округов значилось около 200 Пе-2. Часть этих самолетов вступила в бой в первый же день войны – так, ударом группы в составе 17 Пе-2 5-го бап был разрушен мост через реку Прут.

Начало боевой работы потребовало внесения дополнительных усовершенствований. Прежде всего, было усилено вооружение – один из курсовых пулеметов ШКАС и такой же пулемет в подфюзеляжной установке заменили на 12,7-мм пулеметы УБ.

Еще накануне войны Петляковым была задумана модификация Пе-2Ф, оснащенная двигателями М-105 Ф с турбокомпрессорами. Самолет отличался не только силовой установкой, но и конструкцией фюзеляжа: самолет стал среднепланом, увеличился бомбоотсек, вмещавший одну бомбу ФАБ-500 или две ФАБ-250, при этом длина фюзеляжа несколько увеличилась. Общий вес допустимой бомбовой нагрузки вырос до 1600 кг. Как показали испытания, мощности двигателей М-105 не хватало для обеспечения требуемых характеристик.

12 января 1942 года во время перелета из Казани в Москву В.М. Петляков погиб в авиакатастрофе. По трагическому стечению обстоятельств жизнь конструктора оборвал им же созданный самолет – Петляков решил вылететь на борту одного из Пе-2, перегонявшихся с завода на фронт. Причины катастрофы установлены так и не были.

Дальнейшие работы по Пе-2 возглавил сперва А.М. Изаксон, а затем А.И. Путилов.

Весной 1942 года было осуществлено новое усиление оборонительного вооружения – начиная с 83-й серии ШКАС у штурмана заменили на УБТ, а начиная с июня 1942 года на машинах 110-й серии начали устанавливать закрытую турель с пулеметом УБТ. Кроме того, была усилена бронезащита, а бортстрелок получил переносной пулемет ШКАС, из которого он мог вести огонь через специальные окна в бортах фюзеляжа. Эта модификация иногда упоминалась как Пе-2ФТ, хотя официально так не именовалась.

Увеличивались и темпы производства – если в 1941 году была построена 1671 машина, то уже в 1942-м выпуск бомбардировщиков составил более 2300 самолетов. Уже к осени 1942 года Пе-2 составляли 2/3 бомбардировщиков фронтовой авиации РККА (без учета ночных бомбардировщиков У-2).

Очередные изменения в конструкции произошли осенью 1942 года. На самолете были установлены дополнительные бронеплиты для защиты стрелка и топливные баки большего объема. Другое нововведение было вынужденным – из-за обострившегося дефицита алюминия хвостовая часть фюзеляжа стала деревянной. Рост веса в сочетании со снижением качества серийной сборки с увеличением темпов производства и, как правило, невысокой квалификацией персонала авиапредприятий привели к резкому ухудшению характеристик – скорость упала ниже 500 км/ч, что, в свою очередь, привело к возрастанию боевых потерь бомбардировщиков, особенно в столкновениях с появившимся на фронте истребителем «Фокке-Вульф Fw.190».

Необходимо было принимать срочные меры к исправлению положения. Этим довелось заниматься возглавившему КБ в 1943 году В.М. Мясищеву. Была проведен тщательный анализ возможности улучшения аэродинамики самолета – в том числе изменениям подверглась форма мотогондол. Кроме того, на самолет установили форсированные маловысотные двигатели М-105ПФ. Принятые меры позволили самолетам 205-й серии, выпуск которой начался в июне 1943 года, развивать скорость 520 км/ч на высоте 3700 м.

Рассматривались и другие варианты силовой установки. В апреле 1943 года на испытания в НИИ ВВС был представлен бомбардировщик с двигателями М-82. Мощные двигатели позволили получить более высокие летные данные – в частности скорость на высоте 6200 м достигала значения 547 км/ч, улучшилась скороподъемность, значительно сократился разбег при взлете. Однако отмечалось и множество недостатков. Помимо низкой надежности моторов М-82, что со временем могло быть устранено – как показал опыт эксплуатации других типов самолетов с этими двигателями, имелись и замечания, присущие самому самолету, – новые более массивные капоты ухудшали обзор, осложняли обслуживание. М-82 имели более высокий расход топлива, в результате чего сокращался радиус действия. Кроме того, возросла и без того чересчур высокая посадочная скорость самолета, что в сочетании с неустойчивой работой двигателей сделало процесс посадки еще более сложным. В итоге Пе-2 М-82, именовавшихся также Пе-4, выпустили всего 32 штуки, причем в разных сериях и соответственно имевших отличия в конструкции. 24 из них поступили в войска и принимали участие в боевых действиях.

В конце 1943 – начале 1944 года проходил испытания также самолет с перспективными двигателями М-1 – модернизацией М-105 взлетной мощностью 1500 л.с., обеспечившими самолету скорость свыше 560 км/ч. Однако в серийный выпуск этот мотор не был передан.

В этот же период была реализована и задуманная еще Петляковым модификация с с двигателями М-107, за которой было закреплено обозначение Пе-6, а в процессе испытаний именовавшаяся Пе-2Д, однако и этот вариант серийно не выпускался.

Те или иные усовершенствования вносились в конструкцию на протяжении всего периода серийного выпуска – изменялся состав приборов, оборудования, типы прицелов, дорабатывались системы смазки и питания – в частности, с 382-й серии на самолет установили систему зимнего запуска, принимались меры по улучшению аэродинамики, герметизации фюзеляжа.

Менялись прицелы, радиооборудование, кислородное оборудование, приборы. Для улучшения аэродинамики, например, с 410-й серии (выпуск 1945 года) закрыли крышечками гнезда для установки перекидного пулемета ШКАС, с 411-й серии закрыли лентами щели зализов и т. д. Многочисленные изменения постоянно вносились в масло– и бензосистему, в частности с 249-й серии зимой стали разжижать масло бензином, а с 382-й серии оборудовали самолет зимней системой самозапуска.

С началом войны обнаружилось, что необходимость в тяжелом дальнем истребителе, ни одним типом которого ВВС РККА не располагали и в качестве которого собственно и проектировался изначально самолет «100», все же имеется. Впрочем, вернулся к идее создания истребителя ВИ М-105 В. Петляков еще весной 1941 года, но задуманный им высотный двухместный истребитель, вооруженный двумя пушками ШВАК, тремя БС (один из которых должен был быть оборонительным) и оборонительным ШКАС, реализован не был.

Вернуться к созданию истребителя теперь уже «в обратном порядке» на базе бомбардировщика Пе-2 тем не менее пришлось. Самолет был создан в течение четырех суток, поднявшись в воздух 7 августа 1941 года.

Для увеличения дальности полета в фюзеляже установили дополнительный 700-литровый бак на месте стрелка-радиста. Экипаж сократили до двух человек, убрали остекление кабины штурмана, наступательное вооружение состояло из двух 12,7-мм пулеметов БК, для защиты служили два 7,62-мм пулемета ШКАС, один из которых был установлен на турельной установке, второй неподвижно закреплен в хвостовом обтекателе. При этом сохранилась возможность нести «в перегруз» до 700 кг бомб на внешней подвеске, что, как показала практика, было дальновидным решением – впоследствии самолет, получивший обозначение Пе-3, применялся для нанесения ударов по наземным целям чаще, чем в качестве истребителя. Пе-3 развивал скорость 530 км/ч, имел дальность полета 2150 км и потолок 8500 м. До эвакуации авиазавода № 39 в ноябре 1941 года на его мощностях было выпущено 196 самолетов Пе-3.

В 1941 году инженерами завода № 22 был предложен собственный вариант истребителя Пе-2И (первый самолет с таким обозначенеим), несущего более мощное наступательное вооружение – два пулемета БК и две пушки ШВАК, расположенные на месте бомбоотсека. Серийно этот самолет не строился.