Высокая максимальная скорость полета с момента появления Пе-2 рассматривалась в качестве важнейшего козыря нового основного бомбардировщика ВВС Красной Армии. Это свойство считалось особенно ценным, памятуя об успехе скоростных бомбардировщиков СБ в Испании и Китае, где они в ряде случаев запросто уходили из-под удара истребителей противника. Приступая к модернизации бомбардировщика Пе-2, главный конструктор сделал ставку на винтомоторную группу, состоящую из двух двигателей М-105Ф с турбокомпрессорами ТК-2Ф. По расчетам мощность каждого из моторов (1300 л.с.) должна была поддерживаться примерно постоянной до высоты 7000 м, что обеспечивало новой машине на этой высоте максимальную скорость порядка 600 км/ч, далеко превосходящую скорость Bf 109E и даже Bf 109F.
Особенностью проекта, получившего заводское обозначение Пе-2Ф, было изменение схемы самолета - из низкоплана он был преобразован в среднеплан за счет того, что фюзеляж опустили на 300 мм относительно крыла. Длина самолета в связи с переделкой средней части фюзеляжа и центроплана увеличилась до 13,73 м, при этом носовая (Ф-1) и хвостовая (Ф-3) части фюзеляжа остались почти без изменений. Сохранились также консоли серийного бомбардировщика Пе-2 (только в каждой из них дополнительно монтировалось по одному небольшому бензобаку). В большем по размерам бомбоотсеке, не стесненном лонжеронами крыла, можно было подвесить одну бомбу ФАБ-500, две ФАБ-250 или шесть соток. Увеличение колес основных стоек шасси в связи с ростом полетного веса заставило отказаться от мотогондольных бомбоотсеков, поэтому максимальная масса бомбовой нагрузки на внутренних бомбодержателях осталась прежней - 600 кг, зато перегрузочная увеличилась до 1500 кг: на двух наружных держателях МДЗ-40 можно было подвесить еще две ФАБ-500.
Заседание макетной комиссии по самолету Пе-2Ф состоялась в мае 1941 г. Проект был одобрен, и ОКО-22 получил заказ на постройку двух опытных экземпляров самолета. В мае-июне были отработаны комплекты чертежей новой машины, а в цехах завода 22 приступили к изготовлению деталей и узлов. Тогда же в качестве альтернативного варианта силовой установки стали рассматривать новейшие моторы М-107 с максимальной мощностью 1600 л.с.
Начало войны многое изменило. В центре внимания завода оказались серийные пикировщики, поэтому изготовление опытного Пе-2Ф было приостановлено. Только в сентябре удалось собрать планер первой машины и изготовить агрегаты второй. Осенью 1941 г. перебазирование завода из Москвы в Казань прибавило трудностей. Угрожающее положение, сложившееся в октябре под Москвой, заставило пойти на отчаянный шаг. Вместо испытательного полета сырую машину пришлось перегнать в Казань своим ходом. Перелет, к счастью, прошел успешно.
Налаживание серийного производства Пе-2 на новом месте, объединение заводов 124 и 22, ухудшение ситуации с квалифицированной рабочей силой, электроэнергией и материалами снова притормозили работу. После гибели В.М. Петлякова конструкторский коллектив на непродолжительное время возглавил A.M. Изаксон. Под его руководством на Пе-2Ф усилили оборонительное вооружение: вместо обычной верхней установки штурмана ТСС-1 с пулеметом ШКАС смонтировали вращающуюся экранированную турель ВУБ-2 с крупнокалиберным пулеметом УБТ (примерно в это же время на серийных Пе-2 появилась шкворневая установка ФТ с таким же пулеметом). Интересно, что фонарь кабины пилота Пе-2Ф сохранил противокапотажную раму, которая впоследствии исчезла на серийных Пе-2 с установками ВУБ-1.
Другие изменения в конструкции Пе-2Ф были связаны с увеличением размеров верхнего люка для стрелка, переделкой нижнего люка, который был бронирован и стал открываться наружу. Серьезным переработкам подверглась бензосистема. Баков стало 12 (на Пе-2 до 64-й серии - 11, с 64-й серии - 9), изменилась и схема протектирования. Капотирование моторов выполнили совершенно по-новому, а увеличенные по размерам водорадиаторы получили широкие воздухозаборники с регулируемой губой (на серийной пешке входные отверстия тоннелей водорадиаторов не регулировались). Кроме того, были введены промежуточные радиаторы для охлаждения воздуха, поступающего от турбокомпрессоров к карбюраторам.
Совместные государственные и заводские испытания первого опытного экземпляра Пе-2Ф производились в марте-апреле 1942 г. в НИИ ВВС КА. 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. не добрал 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. Мало того, что 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 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 (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 25.09.42 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.
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 1942 г. 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 от 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.
