Entretando, em 21 de outubro de 1937, Petlyakov foi preso juntamente com Tupolev e toda a diretoria do TsAGI sob acusações forjadas de sabotagem, espionagem e auxílio ao Partido fascista russo. Muitos de seus colegas foram executados. Em 1939, foi movido da prisão para um "sharashka" (Escritório de Projetos Experimental) do NKVD, montado para projetistas de aeronaves próximo a Moscou, onde muitos ex-trabalhadores do TsAGI já haviam sido enviados. Petlyakov recebeu a tarefa de projetar um caça de alta altitude, concluindo-a com sucesso. Entretanto, a experiência operacional durante a Guerra Soviético-Finlandesa de 1939-1940 mostrou que isto não era o que a Força Aérea Soviética precisava, e Lavrenti Beria, líder do NKVD e do sistema "sharashka", ordenou que o caça deveria ser redesenhado como um bombardeiro de mergulho, com a promessa de que Petlyakov e seus colegas seriam soltos após a conclusão bem-sucedida.