Ωστόσο, στις 21 Οκτωβρίου 1937, ο Πετλιάκοφ συνελήφθη μαζί με τον Τουπόλεφ και ολόκληρη τη διεύθυνση της ΤΣΑΓΙ με κατηγορίες για σαμποτάζ, κατασκοπεία και βοήθεια στο ρωσικό φασιστικό κόμμα. Πολλοί από τους συναδέλφους του εκτελέστηκαν. Το 1939 μεταφέρθηκε από μια φυλακή σε ένα Γραφείο Πειραματικού Σχεδιασμού ("sharashka) του" NKVD για σχεδιαστές αεροσκαφών κοντά στη Μόσχα, όπου πολλοί πρώην άνθρωποι της TsAGI είχαν ήδη σταλεί να εργαστούν. Ο Πετλιάκοφ ανέλαβε το καθήκον να σχεδιάσει έναν μαχητικό αεροσκάφος μεγάλου υψομέτρου, το οποίο ολοκλήρωσε με επιτυχία. Ωστόσο, η επιχειρησιακή εμπειρία στον σοβιετικό-φινλανδικό πόλεμο του 1939-1940 έδειξε ότι αυτό δεν ήταν αυτό, που χρειαζόταν η Σοβιετική Πολεμική Αεροπορία, και ο Λαβρέντι Μπέρια, επικεφαλής του NKVD και του "συστήματος sharashka", διέταξε να επανασχεδιαστεί το μαχητικό αεροσκάφος ως βομβαρδιστικό κάθετης εφόρμησης, με την υπόσχεση ότι ο Πετλιάκοφ και οι συνάδελφοί του θα απελευθερώνονταν μετά την επιτυχή ολοκλήρωσή του.