Отдельным направлением работ было 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. Его можно было быстро перекинуть с левой шкворневой установки на правую, а физически сильные стрелки иногда вели из него огонь в верхней полусфере, опирая пулемет на край астролюка. Слабым местом пешки 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 астролюке 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 последовательно 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 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 был передан для продолжения испытаний в НИП АВ (научно-испытательном полигоне авиационного вооружения), где был вскрыт ряд дефектов установки ФЗ, потребовавших возвращения самолета на завод-изготовитель. В ноябре 1943 г. на повторные испытания была направлена машина 3/198 с новым фонарем кабины летчика и 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.
