1935 год оказался «урожайным» на эксперименты с самолетом Поликарпова, в которых принял участие и инженер Филатов – он создал У-2 с V-образным оперением. Две рулевых поверхности, угол между которыми составлял 140 градусов, крепились к верхнему лонжерону фюзеляжа. Очевидно, при создании этой конструкции Филатов использовал опыт, полученный ранее при установке подобного оперения на биплан Р-5. Целью доработок было увеличение зоны обстрела для хвостового стрелка, а также незначительное снижение сопротивления самолета. Управляемость доработанной машины не пострадала, но в серию она не пошла. Следует отметить, что согласно другим источникам, пилоты К.А.Калилец и А.А. Ивановский испытывали эту машину ещё в 1934 году.

В том же 1935 году в НИИ ВВС начали изучать возможности пилота управлять самолетом, находясь в лежачем положении. Предполагалось, что это позволит сократить площадь поперечного сечения фюзеляжа и, следовательно, уменьшить его сопротивление, кроме того, в лежачем положении пилот сможет переносить более высокие перегрузки. В результате к 1939 году один У- 2 был соответствующим образом доработан – лежачее место для пилота было оборудовано на месте второй кабины. Испытания показали возможность управления самолетом в таком положении, но дальнейшего развития эти работы не получили, хотя эксперименты на короткое время возобновились после войны.

Одной из главных довоенных модификаций самолета стал У-2ВВС/У-2ВС. Официально принято считать, что У-2ВС был создан во время Второй Мировой войны, то есть уже после нападения фашистской Германии на Советский Союз. Фактически использовать У-2 в качестве боевого самолета было предложено гораздо раньше. Ещё 7 декабря 1931 года Я.Б. Гамарник, заместитель наркома (замминистра) обороны предложил включить У-2М-11 в инвентарь Красной Армии в качестве «самолета сопровождения» – грубый эквивалент британского класса более тяжелых самолетов поддержки войск «Army Co-operation». «Самолет сопровождения» предназначался для поддержки пехоты, кавалерии и механизированных частей на марше, а также для разведки районов перед наступающей армией. Также предполагалось, что войска смогут транспортировать самолет со сложенным крылом вместе с собой, буксируя грузовиком. Я.И. Алкснис одобрил это предложение, с условием, что самолет должен получить вооружение.

Конструкторское бюро Н.Н.Поликарпова в течение 1932 года перепроектировало У-2 в легкий боевой самолет. В следующем году эта машина успешно прошла программу государственных испытаний и была принята на вооружение под обозначением У- 2ВВС (для Военно-воздушных сил). В некоторых документах самолет упоминался как У-2 М-11 (вооруж). Было построено ещё четыре самолета. Которые в июне-июле 1933 года проходили войсковые испытания в летной школе в Борисоглебске.

У-2 на поплавках ЦАГИ-10

По-2П на Госиспытаниях, 1944 г.

По-2ПП, доработанный инженером Мостовым

В 1935-36 годах было построено 468 экземпляров У-2ВВС. Машины были стандартизованы (естественно, в рамках понимания этого термина в тот период) в соответствии с СТУ 93, разработанном отделом стандартизации ГУАП (Главного управления авиационной промышленности).

Базовая спецификация для У-2 М-11 (вооруж.) или У-2ВВС оговорила следующие характеристики: максимальный взлетный вес 1064 кг, вес пустого самолета 726,22 кг, полезная нагрузка 237,76 кг (топливо и масло, весившие 100-110 кг, в полезную нагрузку не включались.

Вооружение состояло из одного синхронизированного подвижного пулемета ПВ- 1, установленного по левому борту носовой части фюзеляжа, имевшего ленточное питание из круглого магазина емкостью 200 выстрелов, и пулемета Дегтярева ДА на турели Тур-7 с боезапасом 252 выстрела в четырех круглых магазинах.

Бомбовое вооружение из шести 6-кг бомб подвешивалось под крылом и имело механизм сброса, приводимый в действие с помощью тросика. Прицеливание при бомбометании осуществлялось с помощью прицела АП-2 (авиационный прицел второй). У- 2ВВС мог также использоваться для буксировки мишеней.

Начиная с эталона 1936 года, военные У-2ВВС были оснащены парой механических визиров МВ-5 бис, учитывающих снос, они устанавливались по бортам фюзеляжа задней кабины, и эти самолеты могли вести бомбометание с горизонтального полета. Для использования этих прицелов пришлось снять обшивку между 1-й и 2-й нервюрами крыла и лонжеронами. Начиная с эталона 1938 года, известного под обозначением У-2 ВС (не путать с У-2ВС 1942 года!) эти отверстия были закрыты полотняными полосами, которые можно было легко удалить при использовании НВ-5бис. У-2ВВС мог оснащаться и набором фотооборудования ФТ-1, в состав которого входил фотоаппарат АФА-1 Б.

По сравнению с гражданскими машинами У-2Вс имел лучшее приборное оборудование – начиная с эталона 1934 года, помимо указателя воздушной скорости и альтиметра на самолеты этой модификации стали устанавливаться гироскопические индикаторы крена и тангенса (системы Пионер). Воздух для раскрутки гироскопа поступал от двух трубок Вентури, установленных на правом борту фюзеляжа. Навигационное оборудование состояло из компаса и часов, а состояние двигателя можно было контролировать с помощью тахометра и указателей температуры и давления масла.

На первых моделях (включая эталон 1936 года) приборная доска была сделана из листа фанеры, но начиная с эталона 1938 года её центральную часть стали делать из листового алюминия, очевидно, чтобы защитить гироскоп от чрезмерных вибраций. Большая трубка Вентури, установленная на левом борту фюзеляжа, поставляла воздух для гироскопа искусственного горизонта. Этот прибор изредка устанавливали на отдельные самолеты с начала войны, а в состав стандартного оборудования он вошел в последние годы боевых действий и послевоенное время.

Электросистема (которая до 1941 года устанавливалась заводом 23 только на У- 2ВВС/У-2ВС и учебные машины, предназначавшиеся как для военных, так и для гражданских авиашкол) снабжала током навигационные огни (различались по форме на У- 2/По-2 военного и послевоенного выпуска), лампы подсветки прицелов и освещения кабины, обогреватель трубки Пито и посадочную фару под нижним крылом. Посадочная фара часто устанавливалась и на гражданские варианты У-2. На остальных машинах были уложены электрические кабели. Но к источникам тока они не подключались.

Югославский По-2 с двигателем Вальтер «Микрон-6»

В Польше По-2 строился под обозначением CSS-13.

Польский санитарный По-2С обозначался S-13.

Приборная доска в задней кабине имела упрощенный комплект приборов – указатель воздушной скорости. Высотомер, компас и указатели температуры и давления масла. Вырез в полу кабины стрелка-наблюдателя позволял устанавливать комплект фотоаппаратуры ФТ-1 с вертикально расположенной фотокамерой АФА-1Б для ведения разведки.

Для действий ночью на самолетах, не имевших посадочных фар, под левой половиной нижнего крыла устанавливали осветительные ракета Холта. Ракеты поджигались при помощи электрозапала и, чтобы защитить обшивку от пламени, нижняя поверхность крыла между 13-й и 16-й нервюрами была закрыта двумя дюралевыми листами, между которыми располагался слой асбеста толщиной 1 мм. Подобную конструкцию имела и противопожарная перегородка двигателя.