Одной из первых частей, получивших на вооружение Пе-3, стал 95-й скоростной бомбардировочный авиаполк (СБАП), прежде оснащенный Пе-2. Неплохо освоившие "пешку" пилоты и штурманы легко приспособились к особенностям истребительного варианта (вскоре и сам полк сменил наименование, став единственной истребительной авиачастью, вооруженной Пе-3). Однако описанные выше недостатки конструкции самолета вызвали у экипажей недоумение и даже протест. Отсутствие бронирования спереди означало полную незащищенность экипажа от оборонительного огня противника. В докладе командира 95-го СБАП полковника С.Пестова отмечалось, что если броню не установить, то "полка не хватит и на две атаки". Такую же точку зрения отстаивал и командир эскадрильи капитан А.Жатьков, направивший письмо прямо секретарю ЦК ВКП(б) Маленкову.
"Являясь командиром авиационной эскадрильи, я хочу посвятить Вас в вопросы недоброкачественности самолетов, поступающих на вооружение ВВС", - начиналось письмо. Далее Жатьков перечислил большую часть недостатков Пе-3, которые ранее отмечались в отчете по испытаниям НИИ ВВС. По мнению летчика, помимо брони, на истребитель следовало срочно установить пушку ШВАК и заменить верхнюю установку штурмана со ШКАСом на турель с крупнокалиберным пулеметом БТ. Свой "крик души" Жатьков закончил словами: "Летчики наши готовы воевать на любой машине, в том числе и на этой, но нам слишком дороги сейчас люди и машины, и за малую кровь противника нет смысла жертвовать". У Жатькова еще были свежи воспоминания о встрече с "мессерами", зажавшими его "пешку" и полосовавшими ее очередями. Видя безвыходность положения, летчик приготовился прыгать и сбросил крышку фонаря - она-то и спасла его, попав точно в винт немецкого истребителя. Остальные, шарахнувшись в стороны, разжали "клещи", позволив Пе-3 вырваться.
Письмо Жатькова послужило мощным стимулом для ускоренной модернизации Пе-3, поскольку Маленков потребовал от командования ВВС срочно разобраться в ситуации и доложить. Кроме того, КБ завода 39 получило целый набор претензий от пилотов 40-го СБАП, также приступившего к перевооружению на этот самолет. Недостатки следовало устранять, и устранять срочно. Работы по созданию модифицированного варианта стали основным заданием для всего КБ в сентябре 1941 г. В результате появился опытный усовершенствованный самолет Пе-3бис (первый с таким названием) зав. номер 392207, испытанный в НИИ ВВС А. Хрилковым в сентябре - октябре. В ходе испытаний самолет совершил 40 полетов.
Опытный Пе-3бис отличался от серийного Пе-3 следующим: взамен пулеметов БК в носовой части фюзеляжа, полностью лишенной остекления, установили два пулемета УБК (по 250 патронов на ствол) и пушку ШВАК с боезапасом 250 патронов; вместо верхней турельной установки штурмана ТСС-1 с пулеметом ШКАС смонтировали подвижную установку с пулеметом УБТ и боекомплектом 180 патронов во вращающейся башне; консоли крыла оснастили автоматическими предкрылками; уменьшили длину фонаря кабины пилота, а также переместили вперед почти на полметра противокапотажную раму; систему заполнения бензобаков азотом заменили на так называемую "систему нейтрального газа" (охлажденных выхлопных газов моторов); смонтировали противопрожекторные шторки на все стекла кабины.
Полетная масса истребителя увеличилась до 8040 кг (на 180 кг больше, чем у Пе-3), скорость на границе высотности уменьшилась до 530 км/ч, но зато возросла скорость у земли до 448 км/ч. Автоматические предкрылки несколько упростили технику пилотирования, особенно на посадке (обычная "пешка", унаследовавшая от предшественника ВИ-100 скоростной профиль крыла B-BS, была склонна к сваливанию при выравнивании).
Несмотря на неоднократные требования военных, завод 39 из-за неритмичных поставок комплектующих оказался не в состоянии установить на Пе-3бис радиополукомпас РПК-10. Неожиданным последствием установки пушки ШВАК оказалась большая остаточная девиация магнитного компаса А-4, достигавшая двух десятков градусов. Эти обстоятельства в совокупности с уменьшением остекления кабины привели к ухудшению условий ориентирования, сильно затруднили полеты на большую дальность, да и вообще над незнакомой местностью. Для Пе-3бис были характерны и другие дефекты, до-ставшиеся в наследство от базового бомбардировщика и связанные, главным образом, с силовой установкой.
После окончания испытаний опытного Пе-3бис некоторые изменения стали реализовывать на серийных самолетах. Отдельные машины дорабатывались в частях силами выездных заводских бригад и специалистов НАС. На самолеты устанавливали пушки ШВАК, заменяли пулеметы ШКАС верхней стрелковой точки на крупнокалиберные УБТ (при этом стандартная "черепаха" - задняя подвижная часть фонаря - демонтировалась, но вращающаяся башня-экран еще не применялась), размещали в хвостовой части фюзеляжа держатель авиационных гранат ДАГ-10. Многие Пе-3 получили ракетное вооружение: четыре пусковых установки РО-82, а некоторые - еще и пару РО-132.
Стремление улучшить боевые, и эксплуатационные качества самолета привело к созданию второго варианта Пе-3бис, который и стал серийным. Работа производилась в Иркутске в конце 1941 - начале 1942 гг. В серию Пе-3бис запустили в апреле 1942 г. (в том же месяце из деталей, привезенных из Москвы, собрали еще 11 Пе-3, доведя их общее количество до 207 единиц), а на испытания в НИИ ВВС опытный самолет второго варианта (зав. номер 40143900) попал только в конце мая. Контрольные полеты проводил летчик М. Нюхтиков.
Отличия машины от первого варианта Пе-3бис заключались в следующем: пулеметы УБК изъяли из носовой части фюзеляжа и разместили под центропланом на месте прежнего бомбоотсека Пе-2. Оба УБК закрепили на общей раме, закрытой легким открывающимся вбок люком. Передняя часть рамы имела цапфы, относительно которых могла поворачиваться при обслуживании пулеметов. При освобождении задних узлов крепления пулеметы вместе с патронными ящиками опускались казенной частью вниз, что существенно упрощало процесс подготовки вооружения. Боекомплект правого пулемета состоял из 230, а левого - из 265 патронов; вместо турели, разработанной для первого опытного Пе-3бис заводом 39, у штурмана смонтировали серийную установку конструкции завода 22 (так называемую "установку Топорова", она же ВУБ-1, она же Б-270, в литературе, в том числе и у многоуважаемого В.Б. Шаврова, ошибочно именуемая "ФТ"). Питание пулемета УБК (на турели устанавливался именно крыльевой, с механизмом пневмоперезарядки, а не турельный вариант пулемета) было ленточным, боекомплект состоял из 200 патронов.
В кабине экипажа в качестве вынужденной меры для улучшения условий работы штурмана в полете сняли противокапотажную раму. Усилили бронирование: спереди летчика прикрыли отдельными бронеплитами толщиной от 4 до 6,5 мм, бронеспинку сиденья пилота выполнили из стали толщиной 13 мм, забронировали нижний люк кабины экипажа для защиты от случайного выстрела из УБК в момент посадки в самолет. При этом общая масса брони возросла до 148 кг. От остекления в носовой части фюзеляжа оставили лишь небольшой смотровой люк перед штурманом для осуществления прицеливания при бомбометании с горизонтального полета и по паре небольших трапециевидных окон по бортам. Перенос оружия в центроплан потребовал уменьшения емкости фюзеляжного бензобака 7 на 100 л. Для изоляции бака и предохранения его от нагрева ввели асбестовую перегородку, которая одновременно служила экраном, предохранявшим пулеметы от подтекания на них бензина. Для повышения путевой устойчивости (только на опытном самолете) площадь килей увеличили на 15%. Установили противообледенительную систему на винты и лобовое стекло фонаря.
Центр тяжести самолета, особенно при посадке с опустевшими баками, заметно сместился вперед из-за размещения в носовой части пушки и брони. Это привело к уменьшению противокапотажного угла и невозможности эффективного торможения - самолет так и норовил "встать на нос" (то же наблюдалось на доработанных в частях Пе-3). С целью устранения недостатка подкосы основных стоек удлинили (по предложению летчика-испытателя Коккинаки), в результате колеса в выпущенном положении сместились вперед на 60 мм. Этого оказалось достаточно для некоторого улучшения поведения истребителя при посадке.
Нормальная полетная масса второго варианта Пе-3бис составляла 8002 кг. Максимальная скорость полета по сравнению с машиной первого варианта немного уменьшилась: у земли до 438 км/ч, а на высоте - до 527 км/ч. За боевой разворот самолет набирал 540 м, время виража на высоте 1000 м составляло 30 с, а 5000 м истребитель набирал за 9,65 мин. Эти летно-технические данные можно считать типовыми для серийного Пе-3бис производства 1942 г.
Заводские номера серийных машин были шестизначными, например, 400105, что означало - Пе-3бис (изделие 40), пятый самолет (05) первой серии (01). В 1942 г. завод 39 выпустил 121 Пе-3бис. Еще 13 машин дали фронту в начале 1943 г. Это были остатки серии, поскольку с осени 1942 г. предприятие перешло на выпуск бомбардировщиков Ил-4.
Любопытно, что из-за относительно небольшого объема производства Пе-3бис использовался на заводе 39 в качестве "отладочной" машины. В его конструкцию вносились и опробовались многочисленные мелкие (и не очень) изменения, которые впоследствии - в случае, если полезный эффект от внедрения убедительно подтверждался - применялись на Пе-2 массового выпуска. Так, именно на серийных Пе-3бис появилась и прошла отладку верхняя установка бомбардировщика ВУБ-1, новый фонарь кабины пилота, основные стойки шасси с увеличенным выносом вперед, усовершенствованная бензосистема и система нейтрального газа. Дело дошло до того, что завод 39 по опыту эксплуатации Пе-3бис планировал (но не успел) оснастить Пе-2 предкрылками. Часть самолетов Пе-3бис была переоборудована в ночные перехватчики, оснащенные радиолокаторами "Гнейс-2" и даже подкрыльевыми прожекторами.
