Его реакция на это письмо была очень быстрой и весьма решительной. В феврале 1942 г. он вызвал Ильюшина в Кремль, и согласно его воспоминаниям сказал: «Немедленно дайте двухместный самолет. Делайте что хотите, но сборочную линию останавливать не позволим».(Позволю себе подвергнуть сомнению слова Ильюшина, так как это «немедленно» тянулось до осени 1943 г… а Сталин имел очень хорошую память). Поскольку нельзя было менять основные тактико-технические характеристики машины с одной стороны, а с другой переделка не должна была приводить к перестройке производственного процесса на заводах, то конструктор не мог направить на сборочные линии вариант Ил-2 базирующийся на конструктивных решениях использованных на Ил-2 М-82. Тем не менее, первые работы в этом направлении развернулись на базе конструктивных решений именно этого прототипа.
Уже в феврале Ильюшин со своей группой построил прототип двухместного «штурмовика», в котором — в соответствии с пожеланиями капитана Коваля — место заднего стрелка было размешено сразу же за топливным баком. Оконечность одноместной кабины была изъята и на ее месте установлена полностью закрытая кабина стрелка, хорошо защищенная броней толщиной 6 мм. Для обороны стрелок располагал одним пулеметом калибра 12.7 мм с боезапасом в 200 патронов, который был позднее уменьшен на 50 штук. Он мог вести огонь пол следующими углами: вверх — 35, вправо — 35, влево — 25. Самолет не был оборудован радиоаппаратурой. Вся кабина вместе с вооружением и боеприпасами имела массу 270 кг. что изменило центровку самолета и его пилотажные свойства, это выявилось в процессе заводских испытаний, поведенных в начале марта. Самолет поздно отрывал хвост при старте и чересчур быстро опускал его во время посадки. Кроме того ощутимо снизилась максимальная скорость и затруднилось управление. В целях «исправления» этих недостатков была усилена задняя стойка шасси, и увеличено заднее колесо, модифицированы основные стойки шасси и принято решение о необходимости установки новой, более мошной модели двигателя. Из-за отсутствия такой двигательной установки, а так же по многим другим причинам этот проект был быстро отвергнут. Что бы избежать возникновения тех же самых проблем, на следующем прототипе построенном в апреле убрали топливный бак и вместо него установили два других бронированных бака, во внутренних бомбоотсеках. На его месте была устроена новая полностью бронированная перекомпонованая кабина стрелка, несколько похожая на ту, что была установлена на Ил-2 М-82. Однако в этом случае стрелок располагал пулеметом ШКАС 7,62 мм, хотя весьма вероятно, что это вооружение было потом заменено … ручным пулеметом ДТ калибра 7.62 мм для обстрела наземных целей и истребителей атакующих сбоку. Этот второй прототип, несмотря на некоторые свои недостатки, сразу понравился экипажам.
Пилотам — благодаря практически не отличающимся от одноместного Ила пилотажным свойствам, а стрелкам из-за просторной бронированной кабины. Машина, однако, не понравилась руководству из-за почти в два раза меньшей бомбовой нагрузки, в результате чего в серийное производство она не запускалась. Такое решение кажется существенной ошибкой «верхушки», т. к. на самом деле Ил-2 мог бы и в дальнейшем нести свои 400–600 кг бомб, только в бомбоотсеках их находилось бы не более 200 кг. Остальные 200–400 кг, можно было подвешивать под центропланом, на внешних замках, примерно так как это позднее делалось на Ил-10 (200 кг внутри и 200 кг снаружи). Аргументы руководства состоящие в том. что потребовались бы значительные технические нововведения лишены основания, ибо изменение топливной системы не представляло никакой проблемы, а установка кабины не требовало больших изменений. Таким образом непонятно почему собственно было принято решение об отказе от серийного производства, но возможно дело в том, что именно в этот период проводилась пропагандистская компания призывающая пилотов брать максимальную бомбовую нагрузку, а на новой версии самолета существовала проблема с размещением бомб в бомбоотсеках.
После того как и эта разработка была отвергнута, конструкторы построили очередной прототип, на этот раз оборудованный турельной установкой МВ-3 с пулеметом УБТ и значительно увеличенными углами обстрела. Могло бы показаться, что этот прототип был лучшим из всей тройки, если бы не факт, что турель была не бронированной, ла к тому же слишком большой и тяжелой для Ила. что делало невозможным его эффективное боевое применение. Характеристики этого самолета были очень близкими к тем какие имел первый прототип (установка была смонтирована за топливным баком), однако с тем отличием, что потеря скорости была еще больше, т. к. турель имела большее аэродинамическое сопротивление.
Итак, после пятимесячного труда группа Ильюшина оставалась на том же месте, а заводы продолжали производить одноместный вариант. В это время, в августе 1942 г., появилась идея простой переделки одноместного Ила в двухместный, которую очень интенсивно пропагандировали два офицера 6-й Воздушной армии: подполковник И.В.Дельнов — командир 243 ШАД и главный инженер этой армии В.И.Кобликов. Предложенная ими модернизация состояла в прорезании отверстия на месте бывшего «входа» в багажник и установке в нем погона с пулеметом ШКАС 7,62 мм. который обслуживался стрелком. Оба основных автора этого решения руководствовались прежде всего желанием дать самолету хоть какую-то возможность отразить атаку истребителей сзади, а не обеспечением зашиты стрелка и взаимодействия экипажа. Поэтому-то второй член экипажа не имел ни фонаря, ни броневой зашиты сзади, ни связи с пилотом. Однако необходимость в заднем стрелке была так велика, что часть офицеров 6 ВА прилагала большие усилия для продвижения этого проекта, уже воплощенного в жизнь в 11 ой армии и некоторых других частях на том участке фронта. (Переделанные таким способом (в мастерских) двухместные самолеты появились уже значительно раньше. Первые упоминания о переделке на подмосковных аэродромах багажника в место для стрелка относятся к началу 1942 г. Вероятно именно эти работы послужили источником вдохновения для летчиков 243 ШАД из 6ВА). В результате 7–8 сентября один из модифицированных Илов был представлен компетентным офицерам из штаба ВВС на центральном аэродроме им. Фрунзе в Москве. Самолет осмотрел целый ряд специалистов во главе с заместителем начальника ВВС красной армии по инженерным вопросам Л.К.Рекиным, заместителем наркома авиационной промышленности по опытному строительству А. С.Яковлевым (создателем истребителей Як) и конструктором самолета Ильюшиным. В письме к командиру 6-й ВА, генералу Федору Полынину начальник управления опытного строительства ВВС Красной Армии писал: «Очень высоко оценили инициативу 243 ШАД в области устройства места стрелка и считаем возможным оснастить самолеты Ил-2, находящиеся в войсках, такой установкой. Конструкторскому бюро тов. Ильюшина поставлено задание — учесть опыт вашей дивизии и разработать более совершенную заднюю кабину». На нолях следует заметить, что летом 1942 г. в той же самой дивизии, по инициативе тех же летчиков, на Илах пробовали устанавливать стрелковые турели с СБ-2. Правдоподобно так же и то, что эти разработки послужили базой для последующих работ Ильюшина.
Конструкторское бюро Ильюшина очень быстро разработало очередную модификацию и в том же месяце был облетан прототип построенного на заводе двухместного Ила. Этот самолет отличался от своего предшественника очень незначительно. Попросту за оконечностью топливного бака № 3 была устроена примитивная кабина стрелка, которая имела частично застекленный не бронированный фонарь, соединенный с фонарем пилота. В отличии от заднего топливного бака кабина стрелка вообще не была защищена каким-либо образом. Однако для обеспечения ему хотя бы хорошего настроения, в фюзеляже за его кабиной устанавливалась бронеплита толщиной 6 мм защищавшая только его … ноги. В ходе серийного производства где-то в середине 1943 г. была изменена система бронирования передней части кабины. На месте задней бронеплиты на наклонном бронировании в его верхней части, была установлена вертикальная плита полностью отделяющая стрелка от бака. Как и прежде сама кабина стрелка оставалась незащищенной. Для зашиты хвоста «черной смерти» был предназначен 12.7 мм пулемет УБТ с боезапасом в 200 патронов, но из-за того что значительный добавочный вес (боезапас весил около 100 кг. а сам пулемет 21.5 кг) значительно ухудшил пилотажные свойства, запас патронов существенно уменьшили — до 150 штук (сэкономив таким образом около 25 кг).
Принимая во внимание скорострельность этого оружия — 1050 выстрелов в минуту — такого запаса патронов хватало только на … 8.5 с залп! Это позволяло давать только 2–3 очереди по атакующим истребителям противника.
Кроме переделки района кабины были так же выполнены еще различные модернизации относительно одноместной машины: например изменена топливная система (Однако весьма вероятно, что это изменение было введено позднее) благодаря чему каждый самолет заправлялся не за 25 минут, как до этого, а только за 8 минут.
С целью обеспечения модификации самолетов, техническая документация на оборудование нового места стрелка была разослана в ремонтные подразделения всех воздушных армий, где с октября приступили к работам по модернизации, руководствуясь заводской документацией или используя сходные решения. Серийное производство первых двухместных «летающих танков» было начато в октябре 1942 г. Эти самолеты не получили какого-либо дополнительного обозначения (постоянно употребляемые названия Ил-2М или, что тоже самое Ил-2М), а отличались только очередным номером серии. Уже в середине ноября 1942 г., перед контрнаступлением под Сталинградом, в 267 ШАД из 17 ВЛ насчитывалось 66 таким образом переделанных штурмовиков, несколько меньшим их количеством располагала 288 ШАД из 16 ВЛ. и несколько больше их находилось в различных полках 8 ВА.
Вначале этот новый тип Ила имел тот же двигатель АМ-38, но уже с новым винтом АВ-5Л-158 с увеличенным до 3,6 м диаметром лопастей. Однако очень скоро на него стали устанавливать несколько более мощный вариант двигателя — АМ-38Ф (поставлявшийся заводом № 24) который имел максимальную мощность 1700 кВт (По другим данным 1720 кВт или даже 1750 кВт) при 2350 об/мин, причем эту мощность он развивал не на высоте 2500 м, как это было в случае АМ-38, а всего на 1500 м. Было это серьезным недостатком, который однако был результатом тогдашних условий, а так же существующих возможностей модернизации двигателя. Увеличение мощности двигателя было достигнуто при уменьшении степени сжатия с 6,8 до 6,0, но при этом не была изменена система управления шагом воздушного винта (степень редукции у обоих двигателей была одинаковой 0.732), что сначала часто приводило к серьезным авариям. Еще одним недостатком было уменьшение его живучести, в полевых условиях под управлением неопытных пилотов, которые в основном летали на максимальных режимах срок его службы составлял всего несколько недель. Двигатель АМ-38Ф был тяжелее чем АМ-38 всего на 20 кг.
Несмотря на все его недостатки, появление новой модели двигателя стало шагом вперед, т. к. позволяло несколько улучшить летные характеристики и пилотажные свойства штурмовика. Скорость его двухместного варианта с двигателем АМ-38Ф возросла с 370 км/час над землей и около 400 км/час на высоте до соответственно — 390 км/час и 410 км/час.
В начале 1943 г. была введена новая турель для заднего пулемета — ВУБ-3 конструкции И.И.Торопова, позволявшая увеличить углы обстрела с 35 вверх и вправо, 70 вниз и 25 влево до 45 вверх, 12 вниз и 35 по бокам. Еще одним усовершенствованием, введенным и 1943 г. были новые направляющие для РС-82 и РС-132, они имели более аэродинамичную форму и позволяли вести стрельбу с повышенной точностью. Вероятно в это же время была реализована возможность связи экипажа между собой. Первоначально экипаж общался посредством переговорного устройства СПУ-2. но из-за него нарушалась работа радиостанции, поэтому в кабине пилота установили набор из трех лампочек соединенных с кабиной стрелка, благодаря им стрелок мог например, информировать пилота о начале атаки вражеских истребителей, а затем и о необходимости выполнения маневра уклонения в противоположную сторону.
Двухместный Ил-2 значительно отличался от своего предшественника как в плане пилотажных свойств, так и в области тактико-технических характеристик. Масса самолетов первых серий возросла на 264 кг для пустого самолета и на 272 кг для полностью подготовленного к вылету. Дальность уменьшилась на 55 км, но у более поздних версий была снова увеличена на 80 км. Эти данные держались на более менее одном уровне у всех серий штурмовиков в период производства этой модификации.
После решения проблемы массового производства двухместной машины, на заводе приступили к работам над вариантом, оснащенным 37 мм пушками, которые предполагалось использовать для борьбы с танками. Задание на использование такого вооружения было получено КБ вероятно от самого Сталина, который как известно был поклонником мощного вооружения больших калибров. Для работ была выбрана пушка НС-37 сконструированная под руководством А.Е.Нудельмана. Такая пушка вместе с 50-ти зарядным магазином имела массу 237 кг, что снова привело к очень существенным проблемам с устойчивостью самолета, особенно в момент стрельбы и во время полета на малой скорости. Несмотря на свою несомненную эффективность пушка НС-37 не выдержала экзамен, ибо не позволяла вести прицельный огонь, из-за возросшей инертности при маневрировании самолета в воздухе, а так же ухудшения пилотажных свойств вызванного низкой продольной устойчивостью машины (у самолета готового к боевому вылету центр тяжести смешался назад на 3.5 %). Что бы скомпенсировать хотя бы часть этих недостатков экипажи вынуждены были выполнять задания без бомбовой подвески и даже без ракетного вооружения. Пушка Нудельмана не имела таких хороших амортизаторов как немецкие (Ju 87G, Me 109) или английские (Hurricane Mk IV) пушки, в результате чего очень мощная отдача при стрельбе порождала дополнительные проблемы при пилотировании и прицеливании. Скорострельность пушки НС-37 составляла 250 выстрелов в минуту, в то время как у немецких ВК-3,7 она была только 150 выстрелов в минуту; снаряды НС-37 имели начальную скорость 900 м/с, а немецкие 860 м/с, но зато немецкие снаряды пробивали броню толщиной до 70–80 мм, а советские только до 40 мм. Такое большое отличие было вызвано использованием совершенно разных снарядов — немецкие имели больший заряд и главное кумулятивные головки с вольфрамовым конусом, в то время как советские снаряды представляли собой небольшие стандартные литые снаряды с бронебойным наконечником. Благодаря этому Ил-2 имел боезапас по 50 снарядов на ствол (Ju 87G только по 12), а масса самой пушки была всего 150 кг (у Ju 87G достигала 290 кг), но зато эффективность такого вооружения была мизерной по сравнению с ВК-3,7. Вследствие этого экипажи применявшие такое вооружение не могли уничтожать танки, а самое большее только вывести их из строя на какое-то время. Несмотря на того, что это вооружение не оправдало надежд, его устанавливали не только на Ил-2, но и на Як-9Т где оно эффективно использовалась во время воздушных боев. Для уничтожения вражеского самолета, например бомбардировщика, была нужна мощная пушка с сильными снарядами, как раз такая какую спроектировал Нудельман.
Летом 1943 г. в то время когда истребительные дивизии уже располагали серийными Як-9Т, пробная партия Илов с НС-37 только проходила войсковые испытания начавшиеся в июле того же года и продлившиеся до… декабря 1943 г. В это время была выпушена небольшая серия этих самолетов, а позже следующая на этот раз в варианте «со стрелкой». Кроме авиации сухопутных войск, в которой они использовались до конца войны, Ил-2 с 37 мм пушками применялись и в авиации Военно-Морского Флота, куда было передано большинство из них. Это было обусловлено тем, что на Флоте их применяли для уничтожения более крупноразмерных и легких для поражения целей. Немногочисленные штурмовики с НС-37 испытывались на фронте в течении всего 1944 г. Только к его концу от работ над НС-37 отказались, учитывая начавшиеся опыты с 45 мм пушками НС-45, которые проводились в 1945 г. Однако из-за невозможности их использования и приближающегося окончания войны работы над этим вооружением были заброшены.
Пушки НС-37 не были первыми, которые пытались установить на Ил-2. Уже в конце 1941 г. конструктор Ильюшин попытался приспособить для одноместного Ила очень подходящую для борьбы с танками пушку Ш-37 (другое название ШФК-37) конструкции В.Г.Шпитального. Вооружение это, однако, не оправдало себя, хотя и по другим причинам, чем пушка НС-37. Размеры Ш-37 вместе с магазином (на 40 снарядов) были настолько велики, что вынуждали устанавливать ее под углом к плоскости крыла и это приводило к сдвигу центра тяжести самолета. Пушка имела громоздкие обтекатели, что в свою очередь вызывало большое падение скорости. Все это вместе с другими недостатками самолета и вооружения(низкая точность огня, «ныряние» во время стрельбы, затрудненное пилотирование) обесценивало его как боевой самолет. Некоторые данные наводят на мысль, что вероятно было построено несколько экземпляров Ил-2 с пушками Ш-37. часть из которых даже проходили испытания на фронте. Неудача этой конструкции не обескуражила Ильюшина и позднее была предпринята очередная попытка установки модернизированного варианта Ш-37 на двухместный Ил-2 (уже без ракет под крылом). Однако же и этот вариант оказался менее удачным чем пушка НС-37 появившаяся к этому времени. В результате работы над установкой Ш-37 были свернуты.
Очередными новшествами, введенными на Ил-2 в 1943 г. были протектированные топливные баки с системой заполнения пустого пространства в одном из них (заднем) углекислотой подававшейся в бак из специального баллона установленного слева от него. Благодаря такому решению предотвращался взрыв и пожар баков, а следовательно повышалась живучесть самолета. Кроме того, после доработки топливной системы стало возможно подвешивать в бомбоотсеки дополнительные топливные баки, которые использовались во время боевых вылетов к линию фронта.
Однако самым важным вопросом было исправление устойчивость самолета и как следствие его пилотажных характеристик. Сначала примерно в середине 1943 г. попробовали решить эту проблему путем использования балласта позволяет его самолету, например более быстро поднимать хвост во время старта и позднее его опускать во время посадки. Но радикальный перелом в этой проблеме принесло только использование новых крыльев придававших «летающему танку» вид напоминающий стрелу. Из-за этого, для отличия этой версии (официально она не получила отдельного обозначения, а только очередной номер серии) от остальных она стала называться Ил-2 «со стрелкой». Это нововведение состояло в отклонении отъемных частей крыла назад, на угол 150, т. е. на 200 % больше чем прежде. Интересен тот факт, что это решение было найдено еще в октябре 1942 г. во время запуска в серию двухместного Ила. Прототип был построен в ноябре того же года и в первой половине декабря был направлен на госиспытания, после чего была изготовлена первая экспериментальная серия Ил-2 с таким крылом с целью их проверки во фронтовых условиях. Хотя машина зарекомендовала себя очень хорошо, тем не менее се массовое производство не начиналось до конца 1943 г. из-за необходимости поддержания высокого темпа производства стандартной версии Ил-2. Самолеты «со стрелкой» названные в историографии Ил-2М тип 3. стали основой штурмовых подразделении со середины 1944 г., полностью вытеснив более ранние версии к окончанию войны. Применение этих новых крыльев оказалось очень удачным решением, которое кроме улучшения пилотажных качеств позволило увеличить боевую массу самолета. Вместо 1535 кг, Ил-2 «со стрелкой» мог брать 1800 кг, а поздние серии даже 1835 кт. Вследствие чего его максимальная масса достигла 6360 кг, при собственной массе 4360 кг. Благодаря этому стандартный груз бомб поднимаемый Ил-2 в конце концов достиг 600 кг.