Отдельным направлением работ являлось совершенствование оборонительных систем "пешки". Еще до начала войны руководство ВВС потребовало от главного конструктора В.М. Петлякова усилить стрелковое вооружение самолета Пе-2, состоявшее первоначально из четырех пулеметов ШКАС. Весной 1941 г. это требование было частично удовлетворено: взамен правого носового ШКАСа на серийных машинах появился крупнокалиберный пулемет БК, второй такой же пулемет смонтировали на люковой установке. В июле-августе 1941 г. вооружение серийных Пе-2 дополнил бортовой пулемет ШКАС у стрелка-радиста с магазинным питанием.
Слабым местом "пешек" ранних серий, как уже отмечалось, являлась турель штурмана ТСС-1 с пулеметом ШКАС. Оценив мощь люкового пулемета, немецкие истребители перестали атаковать Пе-2 снизу. Теперь они предпочитали нападать сзади сверху на повышенной скорости с выходом из атаки на расстоянии 200…250 м. В этом случае огонь штурманского пулемета не представлял серьезной опасности, чего не скажешь о снарядах немецких пушек. Начиная с осени 1941 г. ОКБ-22 неоднократно проводило испытания стрелковых установок, предназначенных для усиления огня "пешки" в верхней задней полусфере. Так, на самолете № 9/9 испытывалась спарка пулеметов ШКАС, смонтированных под полусферическим экраном в люке стрелка-радиста. В сентябре 1941 г. впервые предприняли попытку установить пулемет БТ у штурмана – конструкция называлась МВ-7 и представляла собой ограниченно подвижную турель под вращающимся экраном-башней. Позднее эксперименты перенесли на истребитель Пе-3 с тем, чтобы привлечь к этой работе завод № 39. Проблема создания удовлетворяющей штурманов верхней стрелковой установки оказалась настолько сложной, что ее решение заняло более полугода. В 1942 г. на серийных машинах последовател ьно появились шкворневая установка "ФТ", а позднее – турель ВУБ-1. Оснащенные крупнокалиберным пулеметом Березина, обе конструкции были не лишены недостатков.
В мае 1943 г. на испытания в НИИ ВВС был передан самолет № 7/187, оборудованный новой верхней стрелковой установкой "ФЗ" и увеличенным фонарем кабины пилота. Установка "ФЗ" ("фронтовое задание") представляла собой вращающуюся турель с пулеметом УБТ, укрепленным на трубчатой траверсе. Питание пулемета магазинное (патроны в лентах были уложены в коробки-магазины, жестко присоединяемые к пулемету). Два магазина имели емкость по 50 патронов, а третий – 90 патронов.
Благодаря магазинному питанию улучшалась маневренность установки (правда, одновременно появлялись затруднения с перезарядкой: для смены магазина требовалось примерно 30 с).
После проверки в НИИ ВВС самолет № 7/187 передали для продолжения испытаний в НИП АВ, где был вскрыт ряд дефектов установки, потребовавших возвращения самолета на завод. В ноябре 1943 г. на повторные испытания была направлена машина № 3/198 с новым фонарем кабины летчика и опять с установкой "ФЗ". На этот раз нововведения получили безоговорочную поддержку военных и были рекомендованы в серию.
И вот тут началась одна из самых неприглядных страниц в истории "пешки". Все, казалось бы, понимали, что внедрение "ФЗ" обеспечит радикальное повышение обороноспособности самолета, улучшит условия работы пилота и штурмана, повысит безопасность экипажа. Но дело не двигалось. Наркомат авиапромышленности не давал разрешения на внедрение установки (опасаясь срыва плановых заданий), заводские специалисты не решались повторить опыт с несанкционированным внедрением "ФТ", а руководство ВВС как-то очень скромно настаивало на своем. В результате Пе-2 с установкой "ФЗ" так никогда и не стал серийным.
В августе 1943 г. В.М. Мясищев представил в наркомат авиапромышленности целый набор новых модификаций: Пе-2А, Пе-2Б, Пе-2В, Пе-4, Пе- 4А, Пе-6 (впервые наименование Пе-4, применительно к варианту с моторами М-82, и Пе-6, применительно к варианту с моторами М-107, встречается в документах, подписанных еще Петляковым в 1941 г.; этим объясняется появление нового названия Пе-8 для бомбардировщика ТБ-7 в сентябре 1942 г.).
Пикирующий бомбардировщик Пе- 2А с моторами М-105ПФ по проекту должен был иметь нормальный полетный вес 7800 кг и максимальную скорость 540 км/ч. На этом варианте предусматривалось ввести новую стрелковую установку штурмана "ФЗ" и увеличенный фонарь кабины пилота по типу, опробованному на самолете № 7/187, а также изменить форму туннелей водо- радиаторов, установить улучшенные обтекатели выхлопных патрубков и внести целый ряд мелких аэродинамических изменений. Бомбардировочное вооружение изменять не предполагалось. Для переделки в этот вариант Мясищев выделил самолет № 17/176.