Но добытое с таким трудом преимущество можно было быстро растерять. Противник не сидел, сложив руки. Завершалось проектирование истребителей Bf 109G-10 и FW 190D, с которыми командование люфтваффе связывало надежды на возвращение господства в воздухе. Более того, даже FW 190А имел превосходство в вооружении, а двух пушек Ла-5 уже не хватало для эффективного поражения новых самолетов всех классов. В бою с истребителями причиной тому стало повышение линейных и угловых скоростей взаимных перемещений самолетов и сокращение времени их нахождения на линии огня. Бомбардировщики и штурмовики стали более живучими, их оборонительное вооружение было усилено.
Командование ВВС требовало непрерывного совершенствования парка истребительной авиации, и Наркомат авиапромышленности (НКАП) отнесся к этому с пониманием. Но чтобы не сорвать темп поставок авиатехники, в новом истребителе предстояло максимально использовать технологическую оснастку серийных «Яков» и «Лавочкиных».
Яковлев вел работу в двух основных направлениях: делая легкий Як-3 с улучшенной маневренностью и скоростной Як-9У. Значительную долю прироста летных данных ожидали получить за счет моторов М-106 и М-107, более мощных, чем серийный М-105ПФ. Вооружение пока оставалось на прежнем уровне, но выпускался и Як-9Т с 37-мм пушкой. Лавочкин же стремился соединить прирост летных характеристик с повышением огневой мощи в одном самолете, не предпринимая рискованной замены апробированного мотора. В этом он опирался на работы по улучшению конструкции и аэродинамики серийного Ла 5ФН, которые были проведены совместно с ЦАГИ на самолетах Ла-5Ф М-82Ф № 39210206 и Ла-5 М-71Ф № 39210204.
На улучшенном Ла-5Ф всасывающий патрубок приводного центробежного нагнетателя мотора (ПЦН), который выступал над капотом, ухудшая обзор пилоту, перенесли под капот. «Бороду» маслорадиатора сдвинули из-под носовой части назад. Это потребовало удлинения трубопроводов маслосистемы, но сопротивление этого агрегата стало меньше. Переделали конфигурацию центроплана, улучшили герметизацию капота, фюзеляжа, кабины и ниш шасси. Наконец, самолет облегчили, тщательно обрезав все мелкие «лишние» участки стыков деревянных силовых элементов, которые обычно «торчали» внутри серийного фюзеляжа, зашкурили потеки клея и лакокрасочного покрытия.
Летчик Н.В. Адамович начал испытания Ла-5Ф № 39210206 14 декабря 1943 г. Результаты были положительными, но самолет не предназначался для запуска в серию, а служил лишь для отработки отдельных элементов нового истребителя. Проект приказа по НКАП о постройке двух его опытных образцов был подготовлен еще 13 октября 1943 г.
Разработку машины выполнили в очень короткие сроки под руководством С.М. Алексеева, заместителя главного конструктора ОКБ-21. Сам С.А. Лавочкин в то время занимался организацией филиала своего ОКБ на вернувшемся в Москву из эвакуации заводе № 381. Алексееву помогали всего несколько конструкторов ОКБ-21, но в деле участвовали ведущие сотрудники ЦАГИ во главе с начальником института Шишкиным. Особую роль в улучшении аэродинамики нового истребителя сыграли профессоры С.Л. Зак и А.К. Мартынов.
Главное внимание уделили силовой установке, капоту и фюзеляжу. Сам же мотор остался тот же, что и на серийных Ла-5ФН, – двухрядный звездообразный 14-цилиндровый М-82ФН, форсированный и оснащенный агрегатом непосредственного впрыска топлива в цилиндры НБ-ЗУ. На взлете он развивал мощность 1850 л.с., у земли на боевом режиме и на I границе высотности 1650 м его длительная мощность достигала 1630 л.с., а на II границе высотности 4650 м – 1430 л.с. Применение воздушного винта ВИШ-105СВ4 с «махоустойчивыми» профилями лопастей ЦАГИ повысило тягу при той же мощности на валу и обеспечило прибавку скорости 11 км/ч. Переделка дефлекторов системы обдува цилиндров дала еще 10 км/ч.
Массивные выхлопные коллекторы Ла-5 заменили индивидуальными патрубками, которые удалось компактно вывести под уменьшенные створки, прикрывавшие щели,через которые выходил охлаждавший мотор воздух. Они были удалены от центроплана, а переделка фюзеляжа (он больше не повторял у кабины обводы ЛаГГ-3) сгладила зону перехода к капоту. Все это не только дало дополнительное снижение сопротивления, но и оттянуло начало срыва потока над средней частью крыла до углов атаки 20-22", существенно улучшив маневренность машины.
В отличие от Ла-5Ф № 39210206 в новом проекте всасывающий патрубок ПЦН переместили в корневую часть центроплана, улучшив обтекание всей носовой части. Давление набегающего потока на входе там было меньше, но снизились и потери за счет уменьшения длины труб от воздухозаборника до расположенного за мотором нагнетателя.
Освободившееся место под капотом можно было использовать для установки третьей пушки. Первоначально ориентировались на серийные орудия СП-20 (ШВАК), но затем появилась возможность использовать новую пушку Б-20 системы Березина. Она весила всего 25 кг, почти вдвое меньше ШВАКа, а ее снаряд имел на 50 м/с большую начальную скорость, что при таком же секундном залпе давало преимущество в дульной мощности почти на 15%. На истребителе сохранили бомбовое вооружение: под крылом остались два «ухвата» под ФАБ-100 или меньшие бомбы.
