21. lokakuuta 1937 Petlyakov pidätettiin yhdessä Tupolevin ja koko TsAGI:n johdon kanssa sabotaasista, vakoilusta ja Venäjän fasistisen puolueen avustamisesta. Monet hänen kollegoistaan teloitettiin. Vuonna 1939 hänet siirrettiin vankilasta NKVD: n "sharashkaan" lentokonesuunnittelijoille lähellä Moskovaa, jossa monet entiset TsAGI-ihmiset olivat jo lähetetty töihin. Petlyakov sai tehtäväkseen suunnitella korkealla lentävän hävittäjän, jonka hän onnistui toteuttamaan. Neuvosto-Suomen sodan toimintakokemus
Vuosina 1939-1940 tapahtuneet lentokentät osoittivat, että tämä ei ollut sitä, mitä Neuvostoliiton ilmavoimat tarvitsivat, ja NKVD:n ja "sharashka" -järjestelmän johtaja Lavrentiy Beria määräsi, että hävittäjä suunniteltiin uudelleen sukelluspommittajaksi, lupaamalla, että Petlyakov ja hänen kollegansa vapautettaisiin sen onnistuneen valmistumisen jälkeen.