Вместо радиостанции РСБ-бис в кабине штурмана установили РСИ-4. Это нововведение также вряд ли можно признать удачным. При боевом радиусе 700-800 км дальность связи с землей составляла всего 110 км, а с другими самолетами и того меньше – 50-60 км. Положение еще более ухудшилось после снятия с истребительного варианта «пешки» радиополукомпаса, что было сделано с целью облегчения самолета.
Опытный Пе-3, переделанный из уже построенного серийного Пе-2 (зав. номер 391606, что означало – шестой самолет шестнадцатой серии завода №39), весил при нормальной загрузке 7860 кг. Масса пустого составляла 5890 кг. При испытаниях его в НИИ ВВС получили следующие основные летно-технические характеристики: максимальную скорость на высоте 5000 м – 530 км/ч, потолок – 9000 м и максимальную дальность полета – 2150 км. Эти данные признали удовлетворительными, и уже 14 августа на завод №39 поступило распоряжение развернуть серийное производство Пе-3. Сроки вновь установили очень жесткие: к 25 августа завод должен был собрать 5 самолетов по образцу опытного и перейти на их выпуск.
Головной серийный Пе-3 проходил испытания в НИИ ВВС с 29 августа по 7 сентября 1941 г. Заводские номера самолетов продолжали нумерацию Пе-2, и первый серийный истребитель имел номер 391902. Испытательные полеты, производившиеся на Центральном аэродроме в Москве, выявили примерно такие же летные характеристики, как и у опытного самолета. Максимальная скорость серийной машины, полученная на испытаниях, составила 535 км/ч. Интересно сравнить летно-технические данные Пе-3 с характеристиками близкого по размерности и назначение немецкого истребителя «Мессершмитт» Bf 110С. При практически одинаковой дальности, скорости полета у земли (445 км/ч) и времени набора высоты 5000 м (8,5-9 мин) «мессер» был на 1350 кг легче и обладал лучшей маневренностью в горизонтальной плоскости. Носовая батарея из четырех пулеметов MG17 и двух пушек MG/FF обеспечивала массу секундного залпа, заметно превышавшую этот показатель Пе-3. Вместе с тем, на границе высотности мотора советский истребитель был несколько быстроходнее своего германского оппонента.
Серийное производство Пе-3 разворачивалось с большими трудностями Комплекты чертежей на ряд узлов подготовить не успели, поэтому первые машины собирали по эскизам, а детали подгоняли по месту. Новые крупные сборочные единицы – бензобаки, носовая установка дополнительного пулемета БК и хвостовая установка ШКАСа не были в достаточной степени отработаны, что приводило к сбоям производства.
В процессе «отстрела» носовой установки выяснилось, что плексигласовый носок фюзеляжа не выдерживает давления дульных газов и разрушается. Его заменили сначала на дюралевый, а позднее на стальной. Заметим, что отличия, связанные с ликвидацией части остекления в носу фюзеляжа, являются важнейшими признаками, позволяющими опознать Пе-3 среди бомбардировщиков Пе-2, ведь внешне самолеты почти не отличались друг от друга. Кроме упомянутых, характерными признаками Пе-3 являются: отсутствие тормозных решеток (их не было и на разведчиках Пе-2), бортовых блистеров, верхнего остекленного люка и стрелковой установки радиста в средней части самолета. Хвостовой ШКАС был практически незаметен.
Новые стрелковые установки имели ряд дефектов. Гильзы и звенья крупнокалиберных пулеметов, вылетавшие при ведении огня наружу, били по передней кромке крыла, нижней поверхности фюзеляжа, образуя царапины, вмятины и рваные отверстия в обшивке. В отдельных случаях гильзы залетали даже в тоннели водорадиаторов. Эксперименты с изменением формы гильзо- и звеньеот- водов практически ничего не дали, В конце концов решили просто собирать гильзы и звенья в специальные гильзо- сборники. По оценке ведущего инженера Макарова и летчика Степанчонка, серийный Пе-3 нуждался в доработках, важнейшими из которых должны были стать: усиление наступательного вооружения за счет установки пушки ШВАК в дополнение к двум пулеметам БК; усиление оборонительного вооружения путем замены турельного ШКАСа штурмана на крупнокалиберный пулемет БТ; введение бронирования экипажа спереди и увеличение размеров задней бронеплиты штурмана; замена радиостанции РСИ-4 на другую, с большим радиусом действия; установка на часть машин фотоаппаратсв для использования Пе-3 в качестве разведчика.
Первый опытный Пе-3 завода № 39 (заводской номер 391606), август 1941 г.
Пе-2И завода № 22 (заводской номер 5/33), август 1941 г.
Однако все эти изменения невозможно было внедрить в серию немедленно, поэтому самолеты пошли в строевые части в комплектации, соответствующей головному серийному Пе-3. Всего в 1941 г. построили 196 Пе-3 (16 – в августе, 98 – в сентябре и 82 – в октябре). Кроме того, завод изготовил опытную машину Пе-3бис (первого варианта). В ноябре завод эвакуировался в Иркутск, поэтому вплоть до апреля 1942 г. выпуск истребителей прекратился
Изучение возможностей Пе-3 для применения в качестве ночного истребителя производилось силами Научно-испытательного полигона авиационного вооружения (НИП АВ) ВВС в начале сентября 1941 г. Летчик-испытатель Степанчонок и штурман воентехник первого ранга Нос выполнили отстрел всех огневых точек машины и убедились, что пламя выстрелов сильно слепит экипаж. Сетка прицела К8-Установилась невидимой, и огонь приходилось вести, наводя по трассе. Специалисты по вооружению отреагировали на замечания оперативно и установили на стволы пулеметов пламегасители. Повторные испытания показали, что вспышки выстрелов мешать перестали.