С целью отработки тактики действий двухмоторных истребителей в ходе испытаний Пе-2И провели ряд учебных воздушных боев с бомбардировщиком СБ и истребителем МиГ-3. Поединок с СБ убедительно свидетельствовал, что Пе-2И свободно его догоняет и атакует с любого направления, но имеет худшую маневренность в горизонтальной плоскости, поэтому бой на виражах ему противопоказан. При встрече с истребителем класса МиГ-3 «Петляков» попадал в сложное положение. В этом случае его экипажу рекомендовали две тактики: атаку на встречных курсах либо уход от противника с небольшим снижением на полном газу.
Самолет Пе-2И не стали запускать в серийное производство (завод был полностью занят выпуском Пе-2). Позднее некоторые идеи, возникшие при его разработке, использовали в конструкции последнего варианта Пе-3, строившегося небольшой серией на заводе №22 в 1944 г.
Опытный истребитель Пе-Збис, 1941 г.
Одной из первых частей, получивших на вооружение Пе-3, стал 95-й скоростной бомбардировочный авиаполк (СБАП), прежде оснащенный Пе-2. Неплохо освоившие «пешку» пилоты и штурманы легко приспособились к особенностям истребительного варианта (вскоре и сам полк сменил наименование, став единственной истребительной авиачастью, вооруженной Пе-3). Однако описанные выше недостатки конструкции самолета вызвали у экипажей недоумение и даже протест. Отсутствие бронирования спереди означало полную незащищенность экипажа от оборонительного огня противника. В докладе командира 95-го СБАП полковника С.Пестова отмечалось, что если броню не установить, то «полка не хватит и на две атаки». Такую же точку зрения отстаивал и командир эскадрильи капитан А.Жатьков, направивший письмо прямо секретарю ЦК ВКП(б) Маленкову.
«Являясь командиром авиационной эскадрильи, я хочу посвятить Вас в вопросы недоброкачественности самолетов, поступающих на вооружение ВВС», - начиналось' письмо. Далее Жатьков перечислил большую часть недостатков Пе-3, которые ранее отмечались в отчете по испытаниям НИИ ВВС. По мнению летчика, помимо брони, на истребитель следовало срочно установить пушку ШВАК и заменить верхнюю установку штурмана со ШКАСом на турель с крупнокалиберным пулеметом БТ. Свой «крик души» Жатьков закончил словами: «Летчики наши готовы воевать на любой машине, в том числе и на этой, но нам слишком дороги сейчас люди и машины, и за малую кровь противника нет смысла жертвовать». У Жатькова еще были свежи воспоминания о встрече с «мессерами», зажавшими его «пешку» и полосовавшими ее очередями. Видя безвыходность положения, летчик приготовился прыгать и сбросил крышку фонаря - она-то и спасла его, попав точно в винт немецкого истребителя. Остальные, шарахнувшись в стороны, разжали «клещи», позволив Пе-3 вырваться.
Письмо Жатькова послужило мощным стимулом для ускоренной модернизации Пе-3, поскольку Маленков потребовал от командования ВВС срочно разобраться в ситуации и доложить. Кроме того, КБ завода №39 получило целый набор претензий от пилотов 40-го СБАП, также приступившего к перевооружению на этот самолет. Недостатки следовало устранять, и устранять срочно. Работы по созданию модифицированного варианта стали основным заданием для всего КБ в сентябре 1941 г. В результате появился опытный усовершенствованный самолет Пе-Збис (первый с таким названием) зав. номер 392207, испытанный в НИИ ВВС А. Хрилковым в сентябре - октябре. В ходе испытаний самолет совершил 40 полетов.
Опытный Пе-Збис отличался от серийного Пе-3 следующим: взамен пулеметов БК в носовой части фюзеляжа, полностью лишенной остекления, установили два пулемета УБК* (по 250 патронов на ствол) и пушку ШВАК с боезапасом 250 патронов; вместо верхней турельной установки штурмана ТСС-1 с пулеметом ШКАС смонтировали подвижную установку с пулеметом УБТ и боекомплектом 180 патронов во вращающейся башне; консоли крыла оснастили автоматическими предкрылками; уменьшили длину фонаря кабины пилота, а также переместили вперед почти на полметра противокапотажную раму; систему заполнения бензобаков азотом заменили на так называемую «систему нейтрального газа» (охлажденных выхлопных газов моторов); смонтировали противопрожекторные шторки на все стекла кабины.
Полетная масса истребителя увеличилась до 8040 кг (на 180 кг больше, чем у Пе-3), скорость на границе высотности уменьшилась до 530 км/ч, но зато возросла скорость у земли до 448 км/ч. Автоматические предкрылки несколько упростили технику пилотирования, особенно на посадке (обычная «пешка», унаследовавшая от предшественника ВИ-100 скоростной профиль крыла B-BS, была склонна к сваливанию при выравнивании).