Tačiau 1937 m. spalio 21 d. Petlyakovas buvo suimtas kartu su Tupolevu ir visa TsAGI direktorate, kaltinamas suklastotais sabotažo, šnipinėjimo ir Rusijos fašistų partijos pagalbos kaltinimais. Daugelis jo kolegų buvo nužudyti. 1939 m. jis buvo perkeltas iš kalėjimo į NKVD "šarashką" orlaivių dizaineriams netoli Maskvos, kur daugelis buvusių "TsAGI" žmonių jau buvo išsiųsti dirbti. Petlyakovui buvo pavesta suprojektuoti didelio aukščio naikintuvą, kurį jis sėkmingai įgyvendino. Tačiau operacinė patirtis sovietų ir Suomijos kare
1939-1940 m. skrydžiai parodė, kad tai nebuvo tai, ko reikia Sovietų oro pajėgoms, o NKVD vadovas Lavrentijus Berija įsakė, kad naikintuvas būtų pertvarkytas kaip nardymo bombonešis, su pažadu, kad Petlyakovas ir jo kolegos bus paleisti po jo sėkmingo užbaigimo.