Трудности со снабжением заставили искать замену цельнометаллическим узлам самолета. Опыта работы с деревом у специалистов завода № 22 не имелось – они всегда строили только цельнометаллические машины. Обратились к уже упомянутому заводу № 81. Там спроектировали и изготовили опытные образцы деревянных хвостовой части (Ф-3), мотогондолы, а также люков и зализов. Кое-что из этого позднее испытали в воздухе.
В Казани на серийной машине № 20/115 была смонтирована хвостовая часть фюзеляжа, выполненная из дерева (шпангоуты деревянные, обшивка фанерная). Аналогичную конструкцию имел и стабилизатор, а кили остались металлическими. Летчик майор Ашитков выполнил с деревянным хвостом полную программу испытаний, включая пикирование с углами 60-65° как с выпущенными тормозными решетками, так и без них при перегрузке на выходе до 3-3,5 единиц.
Деформаций и поломок не было, но очевидцы вспоминают, что военпред завода усомнился в прочности стыка стабилизатора с Ф-3. Самолет передали в ЦАГИ, где на нем помимо исследований на прочность выполнили ряд доработок по рекомендациям местных специалистов. После завершения исследований ведущий инженер Л.Л. Селяков распорядился выполнить на машине полет "на всю катушку", включая крутое пикирование и виражи с креном 70-80 ", причем сам он забрался в хвост самолета без парашюта. После полета Селяков, по его воспоминаниям, вылез из самолета испуганным, но сумел убедить военпреда в прочности машины.
В дальнейшем на отдельных Пе-2 разных серий устанавливались деревянные Ф-3 и стабилизаторы, но в связи с отсутствием на заводе № 22 базы для их массового выпуска, масштабы производства Пе-2 смешанной конструкции оставались относительно небольшими. Прижился только деревянный хвостовой кок, который, впрочем, в дальнейшем вызвал нелестные отзывы из войсковых частей из-за коробления и разбухания фанерной обшивки. Из-за нехватки органического стекла значительно уменьшили площадь остекления кабин. Сперва исчез прозрачный "пятачок" спереди, затем небольшие прямоугольные окошки сверху в хвостовой части, постепенно сузилось остекление сбоку в носовой части и, наконец, последнее совсем исчезло, и осталась только плоская панель снизу.
Существенное изменение летных данных при продолжающемся утяжелении машины могло принести только увеличение мощности двигателей. Работы по созданию вариантов Пе-2 с моторами М-107 и М-82Ф сопровождались преодолением больших трудностей, и неизвестно было, удастся ли довести машины до состояния, пригодного для использования в строевых частях. А в конструкторском бюро В.Я. Климова тем временем проводились работы по форсированию двигателей М-105П и М- 105Р путем увеличения наддува с 910 до 1050 мм рт. ст. Моторы типа "П" отличались от "Р" измененной редукцией и позволяли устанавливать пушку в развале блоков цилиндров.
Форсированные моторы получили обозначения М-105ПФ и М-105РФ соответственно, но если первый из них был немедленно запущен в серию, то второй оказался менее удачливым. Несмотря на то, что летные данные Пе-2 с моторами М- 105РФ несколько улучшились (максимальная скорость возросла на 16-21 км/ч, время набора высоты 5000 м уменьшилось на 1,5 мин, а длина разбега на 40-50 м), моторы М-105РФ из-за недостаточной надежности так и не стали серийными. Когда же на Пе-2 поставили "истребительные" моторы М-105ПФ, то наряду с некоторым увеличением скорости у земли, она заметно снизилась на высоте. Это объяснялось снижением КПД винта ВИШ-61Б на полном газу из-за излишне большой концевой скорости лопастей при переходе от редукции 0,59 к 0,667. Приходилось эксплуатировать "пешку" при пониженных оборотах моторов.
Следует отметить, что НИИ ВВС возражал против подобной замены моторов. Заместитель начальника института генерал-майор Федоров в письме главному инженеру ВВС Репину утверждал: "Установка М-105ПФ на Пе-2 никаких выгод не дает… Скорость Пе-2 будет на 40-70 км/час меньше, чем у Me-109 во всем диапазоне высот…" И все же решение о замене М-105РА на М-105ПФ состоялось. Со 179-й серии (в начале 1943 г.) на все бомбардировщики стали ставить М-105ПФ, на разведчиках еще некоторое время сохранились М- 105РА. При этом первоначально на серийных Пе-2 оставались винты ВИШ- 61 Б, оптимизированные для варианта РА Главной причиной замены было все же стремление сократить номенклатуру выпускаемых моторов, и за счет этого увеличить объем производства. М- 105РА с производства сняли, тип РФ – не запускали.