Ведущий летчик-испытатель майор A.M. Хрипков выполнил 34 полета, три из них завершились вынужденными посадками. При нормальной полетной массе 8360 кг (на 500-600 кг больше, чем у современных ему серийных Пе-2) самолет развил у земли скорость 468 км/ч, а на границе высотности 6500 м - 560 км/ч, т.е. "недобрал" 40 км/ч до расчетного значения. Время набора высоты 5000 м составляло 7,8 мин, практический потолок — 10300 м. По технике пилотирования Пе-2Ф почти не отличался от обычной "пешки", но имел большие скорость отрыва и посадочную скорость — отчасти из-за увеличения массы, отчасти из-за уменьшения площади посадочных щитков. Отмечено было также, что самолет стал более устойчивым, но менее маневренным.
Винтомоторная группа Пе-2Ф оказалась недоведенной. Постоянно барахлили турбокомпрессоры — то текло масло, то расшатывались лопатки ротора, то разрушались опорные кольца крыльчатки. Даже при нормальной работе силовой установки управление ею стало делом весьма сложным. Автоматы регулировки наддува (их задача — поддержание постоянным давления сжатого воздуха на выходе из ТК) на самолете отсутствовали, поэтому в качестве такого "устройства" был вынужден выступать летчик.
Построив графики зависимости максимальной скорости полета от высоты для головного серийного Пе-2 и Пе-2Ф, ведущий инженер Шашков убедился в том, что различия в диапазоне высот от земли до 5000 м совершенно незначительны. Пе-2Ф с моторами М-105Ф не продемонстрировал того свойства, на которое делалась ставка — высокой скорости полета. А ведь хотели получить на 30-40 км/ч больше, чем у серийного Пе-2. Поэтому в заключении по испытаниям новой машины было записано: "Самолет Пе-2Ф не может быть рекомендован для серийного производства... Рекомендуется установить на Пе-2Ф и дублер моторы М-107 и повторить испытания..."
A.M. Изаксону, специалисту по вертолетам и автожирам, оказалось непросто руководить коллективом "самолетчиков", и в мае 1942 г. его сменил на посту главного конструктора ОКО-22 более опытный А.И. Путилов. В течение лета удалось разработать чертежи новой винтомоторной группы и договориться с руководством наркомата авиапромышленности о выделении дефицитных опытных моторов М-107. "Полномасштабная" поддержка пришла только осенью, когда Красная Армия с тяжелыми боями откатилась к Сталинграду. В соответствии с решением ГКО № 2346 от 25 сентября 1942 г. директор завода № 22 В.А. Окулов и главный конструктор А.И. Путилов получили задание построить три модифицированных самолета Пе-2 с моторами М-107 и закончить их летные испытания к 15 декабря 1942 г.
Опытная турель "ФЗ", 1943 г.
Первый опытный самолет Пе-2 № 5/134 с моторами М-107 был выведен из опытного цеха 30 сентября 1942 г. На следующий день состоялся первый полет. Он был оценен как вполне успешный, хотя отмечалась неустойчивая работа регулятора постоянных оборотов винта Р-7А. В октябре выяснилось, что двигатели М-107 оказались непригодными к летной эксплуатации, поскольку почти каждый полет завершался вынужденной посадкой. К тому же потребовалось увеличить производительность водорадиаторов, так как мотор М-107 был заметно мощнее М-105. Без существенных переделок "втиснуть" увеличенные радиаторы в носок обычных консолей серийного Пе-2 не удавалось. Поэтому временно, до получения новых двигателей М-107А, работы над этим вариантом "пешки" пришлось прекратить.
Моторы М-107А поступили на завод № 22 только в конце декабря 1942 г. Однако ни в январе, ни в феврале, ни в марте 1943 г. ОКО-22 не занималось этой машиной. Все внимание в этот момент было отдано серии и любимому детищу А.И. Путилова — высотному истребителю ВИ с моторами М-105ПД. Лишь в начале лета 1943 г., после прихода к власти В.М. Мясищева, двигатели М-107А смонтировали на серийном Пе-2. Недостаток рабочей силы на заводе № 22 и трудности доводки силовой установки заставили пойти на несколько необычный шаг — отправить самолет на моторный завод № 26, где он находился вплоть до осени 1943 г. Летом 1943 г. в переписке ОКО-22 с заказчиками этот вариант машины стали называть Пе-2Д.
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 MB-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 последовательно появились шкворневая установка "ФТ", а позднее - турель ВУБ-1. Оснащенные крупнокалиберным пулеметом Березина, обе конструкции были не лишены недостатков.