В конце лета 1941 г. предпринимали попытки оснастить Пе-2 реактивным вооружением. На самолёте (заводской №16/32) под крылом смонтировали 10 пусковых направляющих РО-132 (две ракетно-орудийные батареи 5РОБ-132 со сблокированными по пять орудий). В сентябре эта машина прошла полигонные испытания на НИП АВ, где ракетная установка получила положительную оценку и была рекомендована к серийному производству. Однако широкого применения в ВВС КА она не нашла, – в начале 1 942 г. «пешки» запретили привлекать к нанесению штурмовых ударов с использованием ракетного оружия, поскольку живучесть бомбардировщиков для действий на малых высотах посчитали недостаточной.
Больше внимания к этому варианту вооружения проявило командование ВВС Флота. Специально для морских авиаторов в НИИ-3 НКБ «генерала А.Г.Костикова» разрабатывали 132-мм ракетно-бронебойные снаряды. Поскольку с августа 1941 г. функции гензаказчика на ракетное оружие в Красной Армии получили гвардейские миномётные части (а там бронебойными снарядами из «катюш» не стреляли), эти боеприпасы для авиации изготавливать прекратили. Но разработанные для бомбардировочной авиации ещё в 1939 г. ракетно-осколочно-фугасные снаряды РОФС-132 (в 1941 г. в «пехоте» их назвали снарядами М-13) вполне заменили РБС-132. Баллистика их была сопоставима, в бронепробиваемости они незначительно уступали
бронебойным, а по фугасности превосходили втрое. В ходе войны самолёты Пе-2 с такими PC неоднократно успешно атаковали морские цели. Оно и немудрено – кораблей с серьёзным палубным бронированием у немцев оказалось мало, а штурмовка транспортов и сторожевиков была успешна и на истребителях И-153 с ракетными снарядами РС-82. Чего уж тут говорить о Пе-2 со 132-мм РОФС.
В стычках с истребителями со всей остротой выявилась недостаточная эффективность бронирования Пе-2. Атакуя сзади, немцы старались сначала вывести из строя штурмана и стрелка, а в следующем заходе добивали беззащитный бомбардировщик. Принимавшие на себя удар истребителей, члены экипажа составляли львиную долю в списке потерь. Нередки были случаи, когда на дотянувших домой избитых «пешках» в живых оставался только пилот. Отреагировав на непрерывный поток требований, завод №22 уже в сентябре 1941 г. разработал усиленную схему бронирования: лётчик получил дополнительно бронесиденье толщиной 4,5 мм, позади штурмана взамен двух листов установили цементованную бронеплиту размером 530x1050 мм и толщиной 8,5 мм. Стрелка прикрыли такой же наклонной плитой размером 480x680 мм с нижней секцией, защищавшей от огня сзади-снизу и боковыми 6-мм бронелистами. Дюралевую броню на крышке люка заменили стальной. Общая масса бронезащиты Пе-2, выдерживавшей пули калибра 7-8 мм, составила 144 кг. В августе 1942 г. разработали и испытали на самолёте Nq 10/119 лёгкий бронеэкран толщиной всего 1,5 мм, смонтированный позади бронеспинки пилота. Экран улавливал рикошетирующие от бронеспинки пули и осколки брони, поражавшие штурмана.
Совершенствование оборонительного вооружения сопровождалось куда большими трудностями. В боях быстро выявлялся любой просчёт конструкторов или производственный дефект. Здесь цена ошибки была слишком дорогой. Неудачное размещение патронного ящика люковой установки, отмеченное ещё весной, стало причиной многих трагических происшествий. Лента от ящика шла с несколькими перегибами, то и дело её клинило на входе в пулемёт (причина – недостаточно выровненная лента и несмазанные рукава подачи) иногда после первого же выстрела.
На фронте этот дефект приобрёл массовый характер. Немецкие истребители, обнаружив слабое место «пешки», приспособились атаковать снизу, расстреливая беззащитный самолёт в упор. В некоторых частях оказавшиеся в отчаянном положении авиаторы своими силами переделывали установку, меняя рукав подвода ленты, положение патронного ящика или, как это сделали в 58-м сбап ВВС Северного фронта, монтируя жёстко закреплённую коробку меньшей ёмкости прямо на лафете пулемёта. Углы обстрела стрелковых установок во многом определялись конструкцией и пространственным расположением ящиков боекомплекта и гибких рукавов, питающих оружие и отводящих гильзы и звенья. Именно этим объясняется несимметричность зон обстрела подвижных пулемётов «пешки». Наиболее удачным решением стала простая перестановка патронного ящика поперек фюзеляжа, чтобы лента тянулась к пулемёту сверху без перекосов. В производство это изменение внедрили с 38-й серии. Параллельно дорабатывали машины в строевых частях.

Пятизарядная ракетно-орудийная батарея под крылом "пешки"
"Спарка" пулеметов ШКАС в астролюке Пе-2
Установка пулемета в самолет после чистки
И всё же люковая установка сохранила ограниченные углы обстрела и перископический прицел с узким полем зрения, отчего поразить цель прицельным огнём удавалось довольно редко. Чаще нижний УБТ служил своего рода «пугачом», выкуривавшим истребители наверх, под огонь штурмана. Однако, его ШКАС, язвительно прозванный экипажами «горохом» или «гуманным оружием», не представлял для немцев серьёзной опасности (донесения с фронта единодушно утверждали: «пулемёт штурмана слаб»), а установка, опутанная тянущейся снизу лентой и рукавами гильзо- и звеньеотводов, была неудобной в работе. Воспользовавшись этим, немцы изменили тактику, стали чаще атаковать сзади сверху на повышенной скорости и отворачивать в сторону на безопасном расстоянии в 200-250 м. В этом случае огонь штурманского пулемёта был практически неэффективен, чего не скажешь о снарядах немецких пушек. Проблем добавило ухудшение обзора: из-за дефицита плексигласа с 48-й серии осенью 1941 г. пришлось сократить часть остекления в нижней носовой части фюзеляжа, ликвидировать пару окон у стрелка, а также заменить прозрачную «черепаху» дюралевой.