ВВС потребовали добавить в экипаж штурмана, разместив его вместе с летчиком. Обычно штурман размещался в носовой застекленной части фюзеляжа, но это шло в разрез с компоновочными подходами разработчиков самолета к самолету-пикировщику, согласно которым летчик должен был иметь обзор вперед-вниз. Компромиссом было размещение штурмана уступом, сзади справа от летчика. Это требовало расширения фюзеляжа минимум на 300 мм, что, в свою очередь, приводило к расширению центроплана и к к значительным переделкам исходной конструкции. Выход был найден А.Н.Туполевым. Он предложил расширить только переднюю часть фюзеляжа, выполнив ее в виде "головастика", сведя расширение ее на нет к 1-му лонжерону центроплана, таким образом оставив конструкцию центроплана без изменений. Предложенная аэродинамическая схема стала одним из первых практических применений сформулированного позже "правила площадей" и позволила получить на самолете "103У" коэффициенты лобового сопротивления фюзеляжа мало отличающиеся от полученных для исходного самолета "103", выполнявшегося без утолщения в передней части.
23 августа 1940 года был осмотрен и одобрен комиссией ВВС макет самолета "103У" 2АМ-37, 4 ноября закончилась передача рабочих чертежей в опытное производство. 9 апреля 1941 года постройка самолета была закончена. 15 мая 1941 года летчик-испытатель М.А. Нюхтиков совершил на "103У" первый полет. В июне-июле самолет вместе с первой машиной "103" проходит государственные испытания. В ходе них были зафиксированы следующие данные самолета:
– длина самолета – 13,8 м;
– размах крыла – 18,8 м;
– высота самолета -4,5 м;
– площадь крыла – 48,5 м
– нормальная взлетная масса – 10448 кг;
– перегрузочная взлетная масса – 11498 кг;
– масса пустого самолета – 7823 кг;
– бомбовая нагрузка нормальная – 1000 кг; максимальная – 2000 кг;
– максимальная скорость на высоте 7800 м – 610 км/ч;
– максимальная скорость у земли – 469 км/ч;
– время набора высоты 5000 м – 9,5 мин;
– практический потолок – 10500 м;
– техническая дальность при полете на скорости 540 км/ч, высоте 7000 м с запасом топлива 1550 кг с 1000 кг бомб – 1898 км – расчетная, фактическая – 1800 км;
– длина разбега – 435 м;
– длина пробега – 765 м;
– посадочная скорость – 155 км/ч;
– стрелково-пушечное вооружение 2 х ШВАК 5 х ШКАС;
– экипаж – 4 чел.
Самолет "103У", по результатам начавшихся испытаний, с целью улучшения путевой устойчивости был доработан: было установлено новое вертикальное оперение, его площадь была увеличена с 4,37 м
В ходе испытаний 6 июля 1941 года, когда значительная часть полетов по программе была проведена, самолет "103У" потерпел катастрофу. В очередном испытательном полете, выполнявшемся в районе аэродрома НИИ ВВС, на правом двигателе АМ-37 разрушилось рабочее колесо ПЦН. Осколками были повреждены силовая установка, фюзеляж и убит штурман А.М.Акопян. Летчик М.А. Нюхтиков покинул машину, которая, планируя, не теряя устойчивости, врезалась в землю и разбилась. В катастрофе также погиб Мальцев – военный инженер 3 ранга, принимавший участие в испытательном полете. Это досадное происшествие практически не сказалось на оценках ВВС по самолету "103": машина удалась, необходимо было запускать ее в серию и оснащать ею части.
Испытания показали, что летно-тактические данные самолета "103" в модернизированном виде практически остались без изменений, за исключением некоторого снижения максимальных скоростей полета. По результатам испытаний самолета "103" и самолета "103У" в июле 1941 года был выпущен Акт, подписанный и утвержденный руководством ВВС, ОТБ НКВД и НКАП (Командующий ВВС РККА Жигарев, НКАП Шахурин, Начальник НИИ ВВС Федоров, Начальник ОТБ НКВД майор ГБ Кравченко, Зам. Нач. ОТБ НКВД ст.лейтенант ГБ Кутепов, директор завода №156 Ляпидевский). Ниже приводятся выдержки из этого акта:
"Объект испытаний. Испытанию были подвергнуты самолеты "103" и "103У", спроектированные ОТБ НКВД и построенные на заводе №156 НКАП…
…. Заключение. Самолеты "103" и "103У" с двумя моторами АМ-37 по своим летно-тактическим данным значительно превосходят все известные самолеты этого типа и полностью разрешают задачу вооружения ВВС Красной Армии фронтовым пикирующим бомбардировщиком.
Для серийной постройки в качестве фронтового бомбардировщика рекомендовать 4-х местный самолет "103У".
Самолет "103", имеющий скорость современного истребительного самолета и прошедший первый этап государственных испытаний, рекомендовать к постройке в качестве многоцелевого самолета, могущего выполнять задачи бомбардировщика и истребителя, для чего усилить его пушечное вооружение и броневую защиту. "