Внедрение в серию СПБ началось с сентября 1939 г. Макет самолета построили в октябре 1939 г. Первый экземпляр был готов в самом конце декабря 1939 г., второй — в январе 1940 г. Они считались опытными, предназначались для проверки изменений, внесенных в конструкцию, и отличались друг от друга радиаторами (пластинчатый на первом и сотовый на втором). За ними следовали серийные машины. Опытные экземпляры имели нумерацию 1–0 (или 1/0), 2–0 (2/0), из первой серии — 1–1 (1/1), 2–1 (2/1), 3–1 (3/1) и т. д. Одну из машин первой серии планировалось оснастить турбокомпрессорами ТК-2.

По взаимному соглашению после внедрения в серию СПБ опытно-конструкторский отдел «Д» разворачивался в отдельное КБ во главе с Н. А. Жемчужиным, которому Поликарпов передавал авторские права на самолет.

Параллельно разрабатывались и модификации машины.

К СПБ проявил интерес Военно-морской флот. В августе 1939 г. Поликарпову предложили спроектировать поплавковый вариант СПБ, который в документации КБ обозначался как «Д морской» или «ДМ». СПБ (ДМ) был нужен прежде всего на Дальнем Востоке, где аэродромная сеть была развита недостаточно. В октябре 1939 г. сложился облик машины. СПБ (ДМ) развивал максимальную скорость 435 км/ч на высоте 3850 м. Дальность полета при 0,9 максимальной скорости достигала 860 км, при 0,7 — 1050 км. Практический потолок — 8650 м.

Бомбовая нагрузка СПБ (ДМ) составляла 600 км, в перегрузку — 1000 к г. Для сокращения пробега предполагалось использовать реверсивные винты. В марте 1940 г. готовилось специальное постановление Комитета Обороны при СНК СССР о постройке первого экземпляра к 1 октября 1940 г.

Проектировался СПБ и с турбокомпрессорами.

Стремясь повысить летные характеристики, Поликарпов рассматривал вопрос об установке на СПБ более мощных двигателей: М-106, М-120, АМ-37, М-71, М-81, с которыми максимальная скорость могла возрасти до 610–619 км/ч.

На основании предварительных данных КБ, свидетельствующих о возможности существенного повышения летных характеристик машины при установке нового мотора М-71, было подготовлено постановление КО при СНК СССР о постройке пикирующего бомбардировщика ПБ-1 с М-71 или М-120 с предъявлением первого опытного экземпляра к 1 июля 1940 г.

Самолет разрабатывался в двух вариантах: четырехместного скоростного бомбардировщика СПБ и двухместного пикирующего ПБ-1.

25 октября 1939 г. эскизный проект бомбардировщика с М-71 направили М. М. Кагановичу. В пояснительной записке отмечалась возможность установки на самолете и других моторов — М-106, М-81, М-120, а также турбокомпрессоров. ПБ-1 получил положительную оценку НИИ ВВС, и его начали строить на заводе № 1. Эти работы нашли отражение в годовом отчете завода за 1939 г., где записано, что не закончены постройкой ПБ-1 2М-120 и ПБ-1 2М-71.

Успешная разработка новых моторов АМ-37 привела к тому, что Н. Н. Поликарпов решил установить его на четырехместный СПБ вместо М-71. Получилась машина во многом иного класса, ее обозначили СПБ (Е). Длина самолета увеличилась на 800 мм и стала равной 12,2 м, экипаж состоял из четырех человек. Дополнительный стрелок защищал нижнюю полусферу. Бомбовая нагрузка достигала 3300 кг, из них 600 кг на внутренней подвеске. ПБ-1 имел несколько лучшие характеристики на малых высотах (521 км/ч — у земли, 610 км/ч — на высоте 5000 м), СПБ (Е) — на больших (495 км/ч — у земли, 622 км/ч — на высоте 6800 м).

После появления проекта СПБ (Е) с двумя АМ-37 в НИИ ВВС провели его анализ. В «Заключении по эскизному проекту», которое 19 апреля 1940 г. утвердил начальник ГУАС КА Репин, говорилось:

«1. Летно-тактические данные СПБ-2АМЗ7 соответствуют тактико-техническим требованиям к опытным самолетам 1940–1941 годов.

2. Предъявленный эскизный проект утвердить.

3. Учитывая состояние опытных авиамоторов, считать вариант модификации СПБ с 2АМ-37 первоочередной работой, а ранее рассмотренные варианты с М-71 и М-81— работами резервными».

НИИ ВВС предложил построить макет новой задней огневой точки.

23 марта 1940 г. директор завода № 22 Окулов, главный конструктор завода № 1 Поликарпов и начальник ОКО «Д» Жемчужин направили письмо наркому авиапромышленности А. И. Шахурину. В нем они отмечали, что, ввиду быстрого прогресса авиационной техники, строящийся серийно на заводе № 22 самолет СПБ по своим летно-тактическим данным может удовлетворить требованиям ВВС только на короткое время. «Повышение его скоростных данных может быть достигнуто установкой [турбокомпрессоров. — Прим. авт.] ТК-2 и затем поставкой мотора М-107 после выхода и отработки этого мотора. Эти сравнительно небольшие по объему модификации являются естественным ростом этого самолета». Далее в этом письме отмечалось, что перспективу самолету и заводу может обеспечить установка мотора АМ-37 — СПБ (Е). Сменные моторамы позволяют вместо АМ-37 ставить М-71 и новый мотор воздушного охлаждения М-90. ПБ-1 также предполагалось строить в варианте со сменными моторами — М-71 и М-90. По мнению авторов письма, удовлетворяющее ВВС вооружение является слабым, на СПБ необходимо ставить пушки. Они обращались к наркому с просьбой поддержать их планы и выделить средства на постройку СПБ (Е) и перспективные работы по совершенствованию самолета.

На рассвете 1 сентября 1939 г. германские Вооруженные силы атаковали Польшу. Из 810 участвовавших в кампании немецких бомбардировщиков около половины (406) составляли пикирующие бомбардировщики и штурмовики «Юнкерс» Ju-87. Высокая боевая эффективность этих машин, непомерно раздутая геббельсовской пропагандой, привлекла внимание военных специалистов многих стран к пикирующим бомбардировщикам.

СССР не был исключением. С конца 1939 г. к проектированию этого класса боевых машин подключились многие конструкторские коллективы. 14 апреля 1940 г. был готов эскизный проект одноместного скоростного пикирующего бомбардировщика с одним мотором М-9 °C. А. Кочеригина. В мае 1940 г. НИИ ВВС предложил переделать созданный в тюремных условиях двухмоторный истребитель «100» В. М. Петлякова в пикирующий бомбардировщик ПБ-100 (прототип известного в годы войны Пе-2). 28 мая 1940 г. было рекомендовано запустить в серию СБ-РК А. А. Архангельского в варианте пикирующего бомбардировщика.

1 июня вышло постановление Комитета Обороны № 239 о постройке на заводе № 156 самолета аналогичного назначения «103» А. Н. Туполева, как и «100», спроектированного заключенными.

Успешное применение Ju-87 при вторжении в Данию, Норвегию, в сражениях против Франции, в Битве за Англию лишь только подхлестнуло эти работы. В сентябре 1940 г. комиссия НКАП рассмотрела проект модернизации ББ-22 А. С. Яковлева в пикирующий бомбардировщик, а ВВС рассмотрели проект Б-2 А. А. Архангельского. Пикирующие бомбардировщики проектировались в конструкторских бюро В. Н. Белякова, В. Ф. Болховитинова и др.

Казалось бы, что в этих условиях КБ Поликарпова, раньше других занявшееся данной тематикой и накопившее ценный практический опыт, должно пользоваться поддержкой руководства ВВС и авиапромышленности, однако на деле никакой поддержки ему оказано не было и, наоборот, предпринимались шаги по ограничению деятельности Н. Н. Поликарпова. Работы за 1939 г. долго не оплачивались наркоматом, и так же долго не утверждались программы работ на 1940 г. и не выделялись по ним кредиты. Все это сильно тормозило не только постройку и испытания СПБ, но и реализацию целого ряда проектов. Принятое в ноябре 1939 г. решение о выделении из состава ОКБ Н. Н. Поликарпова ОКО во главе с А. И. Микояном послужило толчком к фактическому разгрому КБ Поликарпова, когда менее чем за год численность коллектива сократилась почти в три раза.

Все это пагубными последствиями отразилось на ходе работ над многими проектами Н. Н. Поликарпова, включая СПБ.