В первых числах февраля 1930 года из Бутырской тюрьмы ОКБ перевели на один из авиационных заводов на территории Ходынского аэродрома, но его тюремная суть не изменилась: все сотрудники оставались заключенными, а ОКБ подчинили Экономическому управлению ОГПУ. При продолжительности рабочего дня с 8 часов утра до полуночи истребитель «И-5» был спроектирован, построен и 29 апреля 1930 года совершил первый полет. Самолет продемонстрировал выдающиеся качества и был запущен в серию. Было решено развить успех, создав более мощную «научно-тюремную» организацию, способную выдавать новые конструкции не за три месяца, а за три недели. Так в системе ОГПУ летом 1930 года возникло Центральное конструкторское бюро (ЦКБ), главным конструктором которого назначили Дмитрия Григоровича. Месторасположением организации стал авиазавод № 39, отсюда и ее полное название – ЦКБ-39.
Очередная волна репрессий, вызванная решениями Пленума ЦК ВКП(б), состоявшегося в марте 1937 года, привела на скамью подсудимых цвет советского авиастроения: Андрея Николаевича Туполева, Владимира Михайловича Петлякова, Владимира Михайловича Мясищева, Георгия Александровича Озерова, Леонида Львовича Кербера. К примеру, Туполева обвиняли в том, что он «возглавлял антисоветскую вредительскую организацию в авиационной промышленности, проводил вредительскую и диверсионную работу в области самолетостроения и занимался шпионажем в пользу Франции». Все осужденные специалисты составили основной контингент новой спецтюрьмы, называвшейся ЦКБ-29 и входившей в систему учреждений IV спецотдела НКВД СССР (или Особого технического бюро). Начальником этой «шарашки» стал капитан госбезопасности Григорий Яковлевич Кутепов, до того работавший на Ходынском аэродроме простым слесарем-электриком.
ЦКБ-29 территориально находилось в Москве, на углу улицы Радио и Салтыковской набережной реки Яузы (ныне набережная академика А. Н. Туполева). Восьмиэтажное здание ЦАГИ было превращено в тюрьму: зарешеченные окна, на крыше специальная площадка для прогулок, которую заключенные называли «обезьянником», усиленная внутренняя и внешняя охрана, десятичасовой рабочий день. ЦКБ-29 состояло из четырех самостоятельных бюро, начальниками которых были сотрудники госбезопасности, а главными конструкторами Туполев, Петляков, Мясищев и Томашевич, под руководством которых над различными проектами работали как зэки, так и вольнонаемные (в соотношении один к десяти). Создание в ударные сроки самолета с заданными характеристиками служило для заключенных надеждой на освобождение. Курировавший ЦКБ-29 Лаврентий Берия так прямо и говорил им: «Самолет в воздух, вы – на волю».
В начале 1940 года Сергея Королёва вернули по этапу в Москву и до ноября 1942 года его жизнь была связана с ЦКБ-29, где он работал в группе Туполева над проектом пикирующего бомбардировщика «103» («Ту-2»). Наталия Сергеевна Королёва, дочь конструктора, вспоминает: