Nel 1938, l’ufficio di progettazione Ilyushin ridisegnò l’Ilyushin DB-3 per facilitare la produzione e migliorare le sue prestazioni, la versione rivista ricevette la denominazione DB-3F (Forsirovanniye o “potenziato”). La struttura interna dell’aereo, in particolare le ali, fu ampiamente modificata, eliminando la necessità di rifinitura a mano della struttura, e con il duralluminio che sostituiva l’uso su larga scala dell’acciaio nella versione precedente. Il sistema di alimentazione dell’aereo fu riprogettato, aumentando la sua capacità interna e riducendo il numero di serbatoi di carburante. Il muso della fusoliera fu allungato per dare più spazio al navigatore/bombardiere, riducendo la resistenza aerodinamica. Il prototipo DB-3F, alimentato dagli stessi motori Tumansky M-87B da 949 hp (708 kW) del DB-3M, fu pilotato nel suo volo inaugurale da Vladimir Kokkinaki il 21 maggio 1939. Superò con successo i test di accettazione dello Stato ed entrò in produzione nel gennaio 1940, con il Tumansky M-88 da 1.100 hp (820 kW) che sostituì rapidamente l’M-87. Il DB-3F fu ridenominato Il-4 nel marzo 1942. Alcune serie avevano ali esterne e fusoliere anteriori in legno per conservare i metalli, e nel corso della produzione, i motori e i serbatoi di carburante furono aggiornati per migliorare le prestazioni pur mantenendo la stessa autonomia. Tuttavia il cambiamento più notevole fu l’aggiunta di armi difensive più grandi nella torretta, utilizzando la mitragliatrice UBT da 12,7 mm (0,5 in) al posto delle precedenti armi da 7,62 mm (0,3 in). Inoltre, si scoprì che i mitraglieri venivano attaccati per primi, così vennero posizionati dei blocchi di armatura intorno alle postazioni dei mitraglieri.

Questo peso extra non fu compensato dai nuovi motori, tuttavia, e l’Il-4 si dimostrò più lento delle versioni precedenti con soli 404 km/h (251 mph). Un tentativo di migliorare le prestazioni è stato fatto come Il-6, aggiungendo grandi motori diesel e un armamento più pesante. I motori si dimostrarono inaffidabili e la produzione non fu mai avviata. L’Il-4 rimase in produzione fino al 1945, quando ne furono costruiti poco più di 5.200.

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