21. oktoobril 1937 arreteeriti Petljakov koos Tupolev'iga ja TsAGI kogu juhatusega, süüdistades teda sabotaasist, spionaažist ja Vene fašistliku partei abistamisest. Paljud tema kolleegid hukati. 1939. aastal viidi ta vanglast NKVD "šarashkasse" lennukite disainerite jaoks Moskvas, kuhu oli juba saadetud palju endisi TsAGI inimesi. Petlyakov sai ülesande kujundada kõrgete kõrguste võitleja, mida ta edukalt täitis. Kuid operatiivkogemus Nõukogude-Soome sõjas
Aastatel 1939-1940 ilmnes, et see ei olnud see, mida Nõukogude õhujõud vajasid, ja NKVD ja "sharashka" süsteemi juht Lavrentiy Beria andis käsu, et võitleja muudetakse sukeldumispommikuks, lubades, et Petlyakov ja tema kolleegid vabastatakse selle eduka lõpetamise korral.