Идти навстречу Туполеву не спешили. В апреле 1943 года ему выделили завод, но только опытный: московский завод № 156. Тут осуществляли как капитальный ремонт имевшихся Ту-2, так и опытные работы. Туполев был назначен главным конструктором завода, тут же формировался филиал оставшегося в Омске конструкторского бюро.

17 июля 1943 года совершил первый полет модернизированный бомбардировщик Ту-2С. Главным его отличием стали двигатели М-82ФНВ (в серии именовавшиеся М-82ФН) с непосредственным впрыском. Кроме того, провели большую работу, направленную на упрощение конструкции и снижение трудоемкости производства. В частности, уменьшили длину магистральных трубопроводов, электропроводки, упростили электросистему в целом, сняли часть дублирующих приборов, уменьшили число топливных баков. Уменьшили число пулеметов до трех, но при этом заменили ШКАС на 12,7-мм УБТ, при этом в составе вооружения сохранялись две 20-мм пушки ШВАК.

На испытаниях самолет показал скорость у земли – 528 км/ч, на высоте 5050 м – 568 км/ч.

В июле 1943 года решением ГКО выпуск Ту-2 М-82ФН на заводе № 23 был утвержден.

Освоение производства шло тяжело – первые машины, полностью построенные в Москве без использования предварительного «задела», были выпущены уже в январе 1944 года. Велика была и доля брака – в том числе из-за двигателей.

Создававшийся как пикирующий бомбардировщик на практике в этом качестве Ту-2 практически не использовался. Он как правило, не имел специального прицельного оборудования, а после возобновления выпуска были сняты и тормозные решетки, и Ту-2 применялся в качестве «горизонтального» дневного бомбардировщика. Однако и в этом качестве самолет отлично себя зарекомендовал. Особенно эффективными были удары по оборонительным сооружениям противника с применением бомб калибра 500 и 1000 кг, что продемонстрировали уже во второй половине 1944 года экипажи оснащенной новейшими бомбардировщиками действовавшей на Ленинградском фронте, позже принимавшей участие в операциях 334-й бад.

Являясь одним из лучших советских бомбардировщиков, тем не менее по-настоящему массовым боевым самолетом ВВС РККА Ту-2 так и не стал. Численность этих самолетов была сравнительно невелика – на начало 1945 года во фронтовой авиации имелось 278 Ту-2, что составляло всего около 10 % от общего числа советских бомбардировщиков (не считая По-2).

Ту-2 выпускался до 1947 года. Всего было произведено более 2500 самолетов, в том числе 1179 в годы войны (боевые потери составили 62 машины). Бомбардировщик оставался на вооружении вплоть до 1963 года.

Одной из особенностей Ту-2 образца 1943 года являлась предполагаемая возможность выпуска на его базе с минимальными доработками специализированных модификаций, в том числе дальнего бомбардировщика, пикирующего бомбардировщика, разведчика и учебного самолета.

Задача по созданию дальнего бомбардировщика «103Д» впервые ставилась перед Туполевым еще в ноябре 1941 года. Проект отличался большим размахом крыла и увеличенным запасом топлива, в качестве силовой установки рассматривались сперва двигатели АМ-37 и авиационные дизели М-40, затем М-82 и опытные двигатели воздушного охлаждения М-92 максимальной мощностью до 2150 л.с.

Базовый Ту-2с образца 1943 года предполагалось превратить в дальний бомбардировщик заменой консолей крыла с размахом 22,06 м (вместо исходных 18,8), увеличением объёмов бензобаков и площади оперения. Также предусматривалась установка примитивного автопилота. Максимальная дальность действия самолета должна была при этом достигать 3500 км. По требованиям ВВС проект переработали, введя в состав экипажа второго пилота, вследствие чего место штурмана сместилось в носовую часть, которая также подверглась переработке – правда, штурман в своей кабине располагался лежа.

Бомбовая нагрузка самолета Ту-2Д, или «62», планировалась до 4 тонн. Первый полет опытный самолет совершил в июле 1944 года. Однако список требований заказчика к дальнему бомбардировщику возрастал, и до конца войны работы ни по самолету «62», ни «67» – с авиационными дизелями АЧ-30БФ – не были завершены, а позже тема потеряла актуальность в связи с созданием тяжелого бомбардировщика Ту-4[9].

Как развитие проекта «103» задумывался и самолет СДБ (скоростной дневной бомбардировщик). Согласно замыслу, это должна была быть обладающая высокой скоростью и большим потолком боевая машина, способная действовать днем без истребительного прикрытия. Первый полет опытный СДБ («63») совершил 21 мая 1944 года. Самолет был оснащен двигателями жидкостного охлаждения АМ-39 и показал на заводских испытаниях скорость 645 км/ч. Однако на проходивших с 31 мая совместных испытаниях ГК НИИ ВВС КА к машине был предъявлен ряд претензий. При этом, помимо недостатков чисто технического характера, представители ВВС остались недовольны отсутствием оборонительного вооружения.

К ноябрю 1944-го был готов и второй опытный самолет, созданный уже на базе серийного Ту-2, оснащенный более мощными моторами АМ-39Ф и имевший, кроме курсовых пушек, два оборонительных пулемета калибра 12,7 мм. Однако и «63-2» не был рекомендован к серийному выпуску. Больший интерес авиаторы проявили к проекту «68» – фактически тому же Ту-2С, сохранившему экипаж из четырех человек и состав оборонительного вооружения, но с силовой установкой в виде 1850-сильных моторов АМ-39ФН2. В ходе длительных доработок на этом самолете удалось в итоге добиться скорости 531 км/ч у земли и 634 км/ч на высоте, но это произошло уже в 1946 году, и хотя машина под индексом Ту-10 была выпущена небольшой серией – было очевидно, что время поршневых боевых самолетов уже ушло.

Из всех предполагавшихся вариантов перепрофилирования фронтового бомбардировщика фактически единственным, который был реализован в годы войны, стал вариант воздушного разведчика. Работу по созданию самолета, получившего позже обозначение Ту-2Р, начали еще весной 1942 года, но продвигалась она медленно – с учетом сложностей по организации производства собственно бомбардировщика, и только в октябре было окончательно уточнено техническое задание по комплектации специальным оборудованием: два фотоаппарата АФА-3с или АФА-33 при установке в бомбоотсеках дополнительных топливных баков в варианте дневного разведчика или аппарат НАФА-19 и девять бомб ФОТАБ-35 для работы ночью (в этом случае дополнительного бака не было).

Сложности, которыми сопровождался выпуск Ту-2, привели к тому, что преимущественно в разведывательные самолеты непосредственно в частях переоборудовались серийные бомбардировщики. Первый оборудованный в заводских условиях самолет покинул цех в декабре 1942 года, всего же было построено пять «заводских» разведчиков, выпущенных в различной комплектации и проходивших войсковые испытания в период с конца 1942 по середину 1944 года, по итогу чего самолет был рекомендован к серийному выпуску, но с условием выполнения ряда выдвинутых в конце 1944 года новых требований, реализованных уже после войны в самолете, получившем индекс Ту-6.