Men den 21. oktober 1937 blev Petlyakov arresteret sammen med Tupolev og hele TsAGI-direktoratet på falske anklager om sabotage, spionage og støtte til det russiske fascistiske parti. Mange af hans kolleger blev henrettet. I 1939 blev han flyttet fra et fængsel til en NKVD "sharashka" for flydesignere nær Moskva, hvor mange tidligere TsAGI-folk allerede var blevet sendt til arbejde. Petlyakov fik til opgave at designe en højhøjde fighter, som han med succes udført. Operativ erfaring i den sovjetisk-finske krig
I 1939-1940 viste det sig, at dette ikke var, hvad det sovjetiske luftvåben havde brug for, og Lavrentiy Beria, leder af NKVD og af "sharashka" -systemet, beordrede, at jageren skulle omdesignes som en dykkerbombefly, med løftet om, at Petlyakov og hans kolleger ville blive frigivet efter en vellykket færdiggørelse.