Первоначально предполагалось построить в 1941 г. 200 машин Ар-2, однако в серию пошел пикировщик Пе-2, официальные государственные испытания которого прошли в январе – феврале 1941 г. Поэтому количество построенных самолетов Ар-2 было ограничено 71 машиной, которые использовались с самых первых дней начавшейся Великой Отечественной войны в частях ВВС и морской авиации.

Характеристики Ар-2: экипаж – 3 человека, силовая установка – 2 х М-105Р мощностью по 1100 л. е., размах крыла – 18,5 м и его площадь – 48,7 м2, длина самолета – 12,5 м, вес пустого – 4430 кг, взлетный вес – 6650 кг, максимальная скорость – 480 км/ч, дальность – 1500 км, практический потолок – 10 100 м, вооружение – 4 пулемета ШКАС калибра 7,62 мм и 1500 кг бомб.

Опытный образец скоростного разведчика С-22 с разнесенным хвостовым оперением, впервые поднявшийся в воздух 22 февраля 1939 г., был разработан под руководством А.С. Яковлева, который с 1935 г. работал главным конструктором ОКБ, а в 1940–1946 гг. одновременно являлся заместителем наркома авиационной промышленности. Уже в процессе испытаний самолет С-22 переделали в легкий бомбардировщик, усилив оборонительное вооружение, увеличив запасы топлива и оборудовав внутренний бомбовый отсек. Модифицированная машина получила новое обозначение ББ-22 (ближний бомбардировщик).

Серийное производство ББ-22 было развернуто в декабре 1939 г., первая машина взлетела 31 декабря, в феврале 1940 г. машина испытывалась с лыжным шасси. Помимо бомбардировочного варианта разрабатывались и другие варианты – фоторазведчик Р-12 и дальний истребитель сопровождения И-29 (ББ-22 ИС).

ББ-22, оснащенный двумя двигателями М-103 мощностью по 960 л. е., развивал максимальную скорость 530 км/ч, имел дальность полета 800 км и практический потолок 8800 м. В 1940 г. самолет переименовали в Як-2. В процессе производства в конструкцию Як-2 вносили дальнейшие усовершенствования: улучшили компоновку кабины экипажа, усилили бронезащиту, установили более мощные двигатели М-105, поставили наружные бомбовые держатели.

Новая модификация получила обозначение Як-4, производство машин этой модификации началось осенью 1940 г. В феврале 1941 г. самолет был принят на вооружение советских ВВС, однако он оказался не особенно успешным в эксплуатации, поэтому его сняли с производства в апреле того же года. Всего выпущено около 200 машин обоих вариантов, большую их часть потеряли в боевых действиях до конца 1941 г., уцелевшие же машины использовались до 1945 г.

Характеристики ББ-22 (Як-4): экипаж – 2 человека, силовая установка – 2 х М-105 мощностью по 1100 л. е., размах крыла – 14,0 м и его площадь 29,4 м2, длина самолета – 10,18 м, вес пустого – 4000 кг, взлетный вес – 5845 кг, максимальная скорость – 574 км/ч, дальность – 1200 км, скороподъемность – 920 м/мин, практический потолок – 10 000 м, вооружение – 3 пулемета ШКАС калибра 7,62 мм и 800 кг бомб.

Летом 1930 г. по распоряжению Реввоенсовета при ЦАГИ было организовано Бюро особых конструкций (БОК) для изучения аппаратов новых и необычных схем. В тематику БОК входили высотные самолеты, стратостаты, «бесхвостки», самолеты с ракетными двигателями, автожиры и т. д., бюро занималось также вопросами безопасности полета. Начальником БОК был назначен Владимир Антонович Чижевский.

В 1935 г. БОК начало серию работ по созданию высотных (стратосферных, по терминологии того времени) самолетов. Осенью следующего года был построен и испытывался стратосферный самолет БОК-1 (СС) с герметичной кабиной для экипажа из двух человек. Фактически БОК-1 представлял собой РД (АНТ-25) с крылом немного уменьшенного размаха, неубираемым шасси с обтекателями на колесах и двигателем М-34РН. Гермокабина выполнялась в виде капсулы и вставлялась в фюзеляж. Самолет испытывался осенью 1936 г., во время испытаний был достигнут потолок 10 700 м. После этого самолет максимально облегчили, что позволило в дальнейших испытаниях достичь потолка 14 100 м. При пилотировании самолет вел себя устойчиво, термокамера испытания тоже выдержала и была рекомендована при полетах на высотах более 8000 м. В качестве недостатков отмечался очень ограниченный обзор из гермокабины.

В 1938 г. испытывался вариант самолета под обозначением БОК-7. БОК-7 конструктивно повторял БОК-1, но у него была доработана гермокабина (ее стенки являлись стенками фюзеляжа) и поставлена новая система жизнеобеспечения. Для улучшения обзора экипажу гермокабина получила два выпуклых купола над сиденьями летчика и летчика-наблюдателя с несколькими иллюминаторами каждый. В качестве двигателя использовали М-34ФРН с двумя турбокомпрессорами. Самолет использовался в дальнейшем для тренировки экипажей, готовившихся к дальним высотным перелетам. На тренировках экипажи жили по нескольку суток в герметической кабине самолета, стоявшего на земле.

В следующем году был разработан проект дальнейшего развития самолета под обозначением БОК-8, для которого разработали систему дистанционного управления стрелковыми установками.

Последняя модификация самолета имела обозначение БОК-11, конструктивно она походила на предыдущие машины, но оснащалась дизельным авиадвигателем АЧ-40 А.Д. Чаромского для увеличения дальности полета. Гермокабина выполнялась трехместной. В 1940 г. построили две машины БОК-11, которые успешно прошли летные испытания. По результатам испытаний предполагалось подготовить одну из машин к дальнему высотному перелету. Однако все дальнейшие работы по БОК-11 были прекращены, так как В.А. Чижевского репрессировали, и с 1939 по 1941 г. он находился в заключении, работая в ЦКБ-29 НКВД. Бюро особых конструкций расформировали в 1941 г., а его сотрудников перевели в ОКБ П.О. Сухого.

Характеристики БОК-11: экипаж – 2 человека, силовая установка – 1 х АЧ-40 мощностью 1500 л. е., размах крыла – 34,0 м и его площадь 87,0 м2, длина самолета – 12,9 м.

В 1938 г. началась разработка высотного истребителя ВИ-100, который в соответствии с техническим заданием должен был оснащаться мощным наступательным вооружением, летать на высоте 10 000 м со скоростью 630 км/ч и иметь практический потолок 12 500 м. Работы велись под руководством Владимира Михайловича Петлякова, с 1921 по 1936 г. работавшего в КБ А.Н. Туполева в ЦАГИ, а с 1936 г. возглавившего собственное ОКБ. В 1937 г. В.М. Петляков был репрессирован и по 1940 г. находился в заключении, работая в ЦКБ-29 НКВД.

Опытный образец истребителя совершил свой первый полет 22 декабря 1939 г. Машина, имевшая разнесенное хвостовое оперение, была оснащена двумя двигателями М-105, летчик располагался в передней гермокабине, а штурман-бомбардир и стрелок-радист – в задней гермокабине. В носовой части фюзеляжа были установлены две пушки ШВАК и два пулемета ШКАС, в хвостовой части находился пулемет ШКАС, дистанционно управлявшийся стрелком-радистом.

При использовании самолета в качестве истребителя-бомбардировщика предусматривалась возможность установки внешних держателей для двух бомб весом по 250 кг или 500 кг. В другом варианте вооружения самолет мог нести во внутреннем отсеке две кассеты К-76, в каждой из которых имелось 24 артиллерийских (неоперенных) снаряда калибра 76,2 мм или две кассеты К-100 с 96 бомбами весом по 2,5 кг в каждой. Кассеты предполагалось применять против плотного строя бомбардировщиков противника, атакуя строй сверху.