Госиспытания ДБ-ЛК продлились до 25 июня 1940 г. Всего было выполнено 73 полета общей продолжительностью 45 часов. В это время в самолет внесли ряд изменений. Площадь руля высоты увеличили с 4,27 мг до 4,8 м2. На закрылке центроплана всю заднюю кромку площадью 0,582 м2 превратили в добавочный руль высоты, площадь вертикального оперения увеличили с 5,82 м2 до 7,0 м2. Так как двигатели М-87Б были легче предусмотренных проектом М-88, то для обеспечения необходимой центровки пришлось установить в районе противопожарных перегородок свинцовые болванки массой 280 кг.

Левая мотоустановка

Кабина летчика

Вид из кабины стрелка-радиста по и против полета

Схема средней оборонительной установки

Схема управления передней пулеметной установкой

Вид на кабину стрелка-радиста через входной люк, «аэродинамический двигатель» средней оборонительной установки и левая опора шасси

Кроме Нюхтикова, самолет облетали другие летчики НИИ ВВС, в том числе Филин, Холопцев, Кабанов, Стефановский, Дудкин. Они отмечали, что экспериментальный бомбардировщик достаточно прост в пилотировании и не отличается от обычных самолетов. Тогда же были проведены 2 учебных воздушных боя с одним из закупленных в Германии Bf 109Е, продемонстрировавшие высокую тактическую ценность и боевые возможности оборонительных установок ДБ-ЛК.

И все же отношение к необычной машине было настороженным, все в ней подвергалось критике и сомнениям. Пилоты считали недостаточным обзор из кабины, техникам и вооруженцам неудобным казалось обслуживание и подвеска бомб. Штурман Цветков, поначалу вполне удовлетворенный своим рабочим местом с застекленным полом, в конце концов согласился с мнением большинства, что обзор из правой кабины недостаточен.

К основным недостаткам самолета отнесли не соответствующую техническому заданию максимальную скорость и слишком высокие взлетную и посадочную скорости. При этом как-то забыли, что 550 км/ч предполагалось достигнуть с моторами М-88, а с менее мощными М-87 самолет летал быстрее серийного ДБ-3. Что касается невысоких ВПХ, то они вообще являлись «ахиллесовой пятой» бесхвостых схем.

Учитывая перечисленные недостатки, а также малый диапазон рабочих центровок, государственная комиссия признала ДБ-ЛК не прошедшим испытания. Беляеву предложили его доработать и предъявить на повторные испытания в октябре 1940 г. В августе конструктор подготовил комплекс изменений самолета, которые постепенно становились все более радикальными. В числе прочего предполагалось заменить двигатели М-87 на М-81 мощностью по 1500 л.с.; вместо посадочных щитков на консолях крыла установить щелевые закрылки; увеличить размах предкрылков; перейти на шасси с носовой стойкой.

Становилось ясно, что нужно строить новый экземпляр самолета, ориентируясь на оснащение его двигателями М-81, АМ-35 ТК-2 или М-120. Росли и требования заказчиков. В частности, военные предложили сделать бомбардировщик пикирующим, а пилота посадить в центральной кабине. В результате облик машины, получившей внутризаводское обозначение «360» или «новый ДБ-ЛК», заметно изменился. Кабина пилота перекочевала на центроплан в виде отдельной гондолы. Четыре варианта моделей такой кабины продували с целью выбора наилучшей в аэродинамической трубе Т-2 ЦАГИ. Подвергались аэродинамическим экспериментам и различные варианты взлетно-посадочной механизации. В результате решили установить предкрылки вдоль всего размаха консолей и на центроплане. Отогнутые законцовки крыла обрезали, чтобы обеспечить приемлемую жесткость при выходе из пикирования. Экипаж собирались сократить до трех человек, совместив обязанности штурмана и одного стрелка. В фюзеляжах оставались только кормовые кабины, которые сверху получали обтекаемые колпаки для улучшения обзора.

Аэродинамические исследования моделей продолжали до начала 1941 г. В последних вариантах предполагалось установить двигатели М-71 мощностью по 2000 л.с., с которыми максимальная расчетная скорость составляла 590 км/ч на высоте 6000 м, нормальная дальность полета – 1500 км, максимальная – 4000 км.

Еще 20 сентября 1940 г. В.Н. Беляева утвердили в ученой степени доктора технических наук. Однако это не помогало основной деятельности. Встал вопрос о переводе КБ-4 на другое предприятие из-за явной перегруженности завода № 156, который к тому времени был ориентирован на изготовление машин «100» и «103» – прообразов Пе-2 и Ту-2. В сложившихся условиях постройка нового ДБ-ЛК становилась практически невозможной, и спустя короткое время работы по нему прекратили.

Фактически бесхозный первый опытный экземпляр ДБ-ЛК продолжал стоять на аэродроме в Чкаловской. Директор завода № 156 Герой Советского Союза А.В. Ляпидевский предлагал передать его как уникальный технический экспонат в Бюро новой техники ЦАГИ или в МАИ, но его усилия оказались тщетными. В октябре 1941 г., когда немецкие войска вышли на ближайшие подступы к Москве, было принято решение перегнать самолет в тыл. Однако свободных летчиков, способных на нем летать, не нашлось, поэтому ДБ-ЛК уничтожили.