Тем не менее в конечном итоге окончательным заданием бригады «103» – такой индекс получила бригада ЦКБ-29 под руководством Туполева – стала разработка скоростного двухмоторного фронтового бомбардировщика ФБ, который должен был иметь скорость не менее 600 км/ч, максимальную бомбовую нагрузку до 2000 кг и максимальную дальность полета 2000 км.

В целом процесс создания нового бомбардировщика оказался крайне непростым. Изначально правительственным заданием предусматривалась постройка трех опытных самолетов с двигателями жидкостного охлаждения: одного с АМ-35А и двух – с М-120ТК. Самолет с моторами АМ-35А должен был иметь максимальную скорость 560 км/ч, потолок 11 000 м и дальность полета до 2500 км, максимально до 3200 км. Два самолета предполагалось оснастить создаваемыми в КБ В.Я. Климова V-образными 18-цилиндровыми моторами М-120ТК с турбокомпрессорами расчетной взлетной мощностью 1850 л.с., с использованием турбокомпрессоров на высоте 10 000 м 1430 л.с. Эти машины должны были при той же дальности развивать скорость на средних высотах – не менее 625 км/ч, на высоте 12 000 метров – 720 км/ч. Потолок должен был достигать при этом 13 000 м. От гермокабин отказались, в состав экипажа входили пилот и располагавшиеся в общей кабине за центропланом штурман и стрелок.

29 января самолет «103» – по обозначению туполевцев АНТ-58 – впервые поднялся в воздух, показав в процессе последующих испытаний скорость 635 км/ч.

Позже был внесен еще ряд изменений – экипаж был увеличен с трех человек до четырех, причем штурман теперь находился в одной кабине с летчиком, а двигатель заменили на АМ-37. Второй опытный самолет «103-У» (улучшенный) поднялся в воздух 18 мая 1941 года, показав обнадеживающие результаты, но уже 6 июля потерпел катастрофу. Впрочем, работу по подготовке к серийному выпуску это не остановило, а НИИ ВВС вынесло заключение, что «самолеты “103” и “103-У” с двумя моторами АМ-37 по своим летно-техническим данным превосходят все известные самолеты этого типа».

21 июля 1941 года А.Н. Туполев был освобожден из-под стражи, хотя сотрудники КБ еще оставались в статусе арестантов. Освобождение сотрудников бригады 103 началось в августе, уже после эвакуации КБ и авиазавода № 156 в Омск и завершилось уже к 1944 году.

Однако трудности с запуском в серию самолета не ограничивались эвакуацией и созданием на новом месте фактически нового завода. Обнаружилось, что так и не удалось устранить недостатки и наладить производство АМ-37.

В качестве замены были выбраны двигатели с воздушным охлаждением М-82, что потребовало очередной переработки конструкции. Летные испытания модификации «103-В» с двигателями М-82 начались 15 декабря 1941 года. Характеристики самолета несколько ухудшились, в том числе скорость снизилась с 610 км/ч, полученной на «103-У», до 520 км/ч. Ход испытаний осложняли и остававшиеся капризными двигатели. Тем не менее в конце декабря Туполев доложил о превосходстве самолета с двигателями воздушного охлаждения, и было принято решение о начале его серийного выпуска.

Даже при снизившихся по сравнению с прототипом данных бомбардировщик по своим показателям входил в число лучших в мире. Получивший в серийном выпуске наименование Ту-2 самолет имел дальность полета более 2000 км, потолок 9000 м, нес до двух (в перегрузочном варианте – до трех) тонн бомб калибра до 1000 кг. Вооружение включало в себя две 20-мм пушки ШВАК и три оборонительных пулемета ШКАС.

Серийный выпуск был начат весной 1942 года. Первые три серийные Ту-2М-82 проходили войсковые испытания – а фактически вели боевые действия – с сентября 1942 года на Калининском фронте. Самолеты получили хорошие отзывы летчиков, оценивших как высокие летные данные и хорошую управляемость, так и мощное вооружение и достаточно большую бомбовую нагрузку. Первыми боевыми частями, принявшими на вооружение новый бомбардировщик, стали 132-й отдельный бомбардировочный авиаполк и 12-й бомбардировочный авиаполк.

Использовались Ту-2 и в качестве воздушных разведчиков – так, активно применявший эти самолеты 2-й авиационный полк дальней разведки Главного командования Красной Армии был 2 февраля 1943 гоода преобразован в 47-й гвардейский авиационный полк дальней разведки Главного командования КА.

Но и тут самолет ждали сюрпризы – после постройки 80 машин серийный выпуск был остановлен, а ценой немалых усилий введенный в Омске в строй завод № 166 в январе 1943 года перепрофилирован на выпуск истребителей Яковлева.

Не желая мириться со сложившейся ситуацией, Туполев принимал все меры, чтобы убедить верхушку наркомата и руководство страны – вплоть до И.В. Сталина – в необходимости возобновления выпуска, одновременно работая над модернизацией самолета. В числе оппонентов Туполева оказался при этом и С. Ильюшин – строительство Ту-2 Туполев предлагал возобновить на авиазаводе № 23, где выпускался самолет Ил-4. В ответ Ильюшин направил письмо наркому А. Шахурину, в котором доказывал, что «нет никаких оснований заменять Ил-4 самолетом Ту-2 М-82». С.В. Ильюшин при этом, впрочем, изрядно кривил душой – применение дальнего ДБ-3Ф (Ил-4) в качестве фронтового бомбардировщика было вынужденной необходимостью первого периода войны, и, несомненно, имевший более высокую скорость и более мощное вооружение Ту-2 для этой роли подходил намного лучше.

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.