Новая серия испытаний самолета после некоторых доработок проходила с 6 марта по 30 апреля 1938 года. 26 июля 1938 года совершил первый полет и второй опытный образец-«дублер».

Самолет был рекомендован к серийному выпуску на заводе № 124 в Казани. Однако обнаружилось, что не решен вопрос с серийным выпуском ключевого элемента силовой установки – агрегата АЦН-2. Одновременно с этим при принятии самолета на вооружение было принято решение об изменении состава оборонительного вооружения, которое теперь составляли 7,62-мм пулеметы ШКАС.

Лишившись главного достоинства – способности действовать на больших высотах при высокой скорости полета, в сочетании с ослаблением вооружения, из выдающейся для своего времени боевой машины, согласно замыслу, ТБ-7 фактически превращался в достаточно рядовой бомбардировщик.

В начале 1940 года производство ТБ-7 было прекращено, построить успели всего шесть самолетов, в том числе только четыре с агрегатами АЦН-2. На двух машинах были установлены новые двигатели АМ-35, но без АЦН.

Однако командование ВВС настаивало на нужности тяжелого бомбардировщика, и в том же 1940 году было принято постановление о возобновлении серийной постройки ТБ-7, но с новыми двигателями: авиационными дизелями типа М-30 и М-40, созданными А.Д. Чаромским[38] и привлекавшими руководство своей высокой экономичностью.

С 16 января по 20 февраля 1941 года ТБ-7 4М-40 проходил государственные испытания в НИИ ВВС, продемонстрировав скорость у земли 345 км/ч, на высоте 5680 м 393 км/ч, потолок 9200 м при времени набора этой высоты 49 мин. По итогу испытаний был сделан вывод, что летные данные самолета соответствуют требованиям, однако винтомоторная группа требует доработки.

Другим новым «сердцем» ТБ-7 стали усовершенствованные двигатели Микулина АМ-35 и АМ-35А взлетной мощностью 1350 л.с. Данные бомбардировщика с этим мотором по итогам испытаний, завершившихся уже в первые дни войны, были равны: скорость у земли 347 км/ч, на высоте 6366 м 443 км/ч, потолок 9300 метров и время его набора 43,5 мин.

В июне 1941 года в строю ВВС РККА числилось девять ТБ-7, из них пять боеготовых. Еще некоторое число выпушенных самолетов не было принято ВВС.

Одной из первых крупных операций для ТБ-7 стал назначенный на 10 августа рейд на Берлин, к которому были привлечены экипажи 81-й бомбардировочной авиадивизии под командованием знаменитого летчика М. Водопьянова, получившего Золотую Звезду Героя Советского Союза за № 6 за участие в спасении экипажа ледокола «Челюскин», затертого льдами в 1934 году.

Из изначально отобранных для участия в операции 12 ТБ-7 к вылету с аэродрома Пушкино под Ленинградом готовились 10 самолетов (также в операции участвовали бомбардировщики Ер-2). Однако неприятности начались уже при взлете. Сразу несколько машин не смогли подняться в воздух, один из ТБ-7 потерпел катастрофу из-за отказа сразу двух дизелей. Отправиться в полет смогли только семь ТБ-7 из которых на свой аэродром вернулся лишь один, еще два самолета совершили вынужденную посадку на своей территории. Значительная часть бомбардировщиков при этом не смогла вернуться на аэродром из-за отказов двигателей.

По итогам рейда комбриг Водопьянов был отстранен от командования дивизией (правда, с учетом личных заслуг без прочих «организационных выводов» и с правом продолжать боевые вылеты в качестве командира экипажа). Справедливости ради, впрочем, причиной неудачи стала не только неудовлетворительная подготовка рейда командованием дивизии, которому отпустили крайне сжатые сроки – всего два дня, но и низкая надежность дизельных моторов.

Именно отказ от установки дизелей стал другим выводом, сделанным на основании неудачной операции, – на строящиеся серийные самолеты теперь устанавливались только двигатели АМ-35А, этими же моторами были заменены дизели и на части ранее выпущенных бомбардировщиков.

В 1942 году в связи с необходимостью увеличения выпуска Пе-2 строительство ТБ-7 было снова официально прервано, однако оборудование для их производства сохранили и фактически бомбардировщики продолжали строить.

К концу марта 1942 года в составе дальней авиации РККА имелось всего 11 ТБ-7 (с февраля 1942 года получивших наименование Пе-8), из них 8 исправных. В этой ситуации снова был проявлен интерес к выпуску тяжелого дальнего бомбардировщика. Но снова с заменой двигателя – в связи с необходимостью обеспечения штурмовиков Ил-2 моторами АМ-38 двигатель АМ-35 был снят с производства. В качестве альтернативы был предложен М-82.

Испытания самолета с новым мотором были признаны успешными, более того, было отмечено, что установка М-82:

«– улучшает взлетные характеристики, снижая длину разбега на 20 %;

– увеличивает дальность по боевому профилю до 4400 км при 3000 кг бомб;

– повышает живучесть самолета (отсутствие водосистемы)».

Уже в 1943 году было выпущено 18 Пе-8 с двигателями М-82 (с 1944 года – АШ-82), а всего с этими моторами до окончания выпуска 32 самолета.

Вносились в ходе выпуска и иные изменения – в частности, установили новую носовую стрелковую башенную установку, перекомпоновали кабину штурмана, изменили состав оборудования.

Хотя выпуск Пе-8 не был в полном смысле массовым – в 1944 году было построено 18 машин, а всего с учетом прототипов – 93 самолета – тяжелые бомбардировщики приняли участие в ряде операций дальней авиации РККА, нанося удары по Данцигу, Кенигсбергу, Мариенбургу и другим удаленным целям.

Отдельной страницей стало применение Пе-8 для нанесения ударов с использованием сверхтяжелых бомб ФАБ-5000, созданных в 1943 году.

Вес фугасной бомбы ФАБ-5000 равнялся 5080 кг. Её взрыв образовывал в земле воронку диаметром 18–24 и глубиной 6–9 м. Поскольку диаметр бомбы – 1000 мм – превышал размеры бомбоотсека Пе-8 (по длине бомба ему соответствовала), для нее пришлось разработать специальную систему держателей.

Первые ФАБ-5000 были применены при бомбардировках Кенигсберга уже в апреле 1943 года. Всего до весны 1944 года бомбардировщиками было сброшено 13 бомб ФАБ-5000. Пять бомб в том числе было сброшено в июне – июле 1943 года в районе Орла и Курска, где они применялись для разрушения железнодорожных коммуникаций (в т. ч. железнодорожного узла г. Орел) и укреплений. В 1944 году с целью оказания психологического воздействия на правительство Финляндии две бомбы ФАБ-5000 были также сброшены на Хельсинки.

Выполняли Пе-8 и более специфические задачи. В 1942 году серийный Пе-8 с двигателями АМ-35А (дополнительно было установлено только кислородное оборудование) доставил советскую делегацию во главе с наркомом иностранных дел В. Молотовым в Великобританию, а затем в США в 1942 году. Маршрут перелета проходил над оккупированной Европой, самолет несколько раз пересек линию фронта и благополучно совершил полет над океаном. При этом истребителями люфтваффе не было предпринято даже попыток перехвата.