В конце 1941 года, после эвакуации в Свердловск, сотрудники НИИ радиопромышленности оказались в крайне сложных условиях. В ходе отступления прекратил существование НИИ-9 — основной разработчик клистронных ламп сантиметрового диапазона, служивших ключевым элементом перспективных радиолокационных станций. Запасы этих ламп были исчерпаны, а производство — утрачено. Однако необходимость создания бортовой РЛС сохраняла свою актуальность. Согласно расчётам института, масса авиационного радиолокатора с источниками питания и кабелями составляла не менее 500 кг, что исключало его установку на одноместный истребитель. Кроме того, управление станцией требовало постоянного обслуживания, что делало её применение в однопилотной машине практически невозможным. По инициативе лётчика-испытателя НИИ ВВС С. П. Супруна в качестве носителя был выбран двухмоторный пикирующий бомбардировщик Пе-2, обладавший достаточной грузоподъёмностью и пространством для размещения аппаратуры и дополнительного оператора. Так родился «Гнейс-2» — колосс на лампах метрового диапазона, собранный по эскизам без чертежей.
Индикатор радиолокатора, разработанный А. Б. Слепушкиным на основе электронно-лучевой трубки, был установлен в кабине штурмана: по шкале дальности зелёный луч отображал местоположение цели. Передатчик с мощностью излучения 10 кВт разместили в кабине стрелка-радиста. Для установки оборудования экипаж был сокращён до двух человек, что снизило боевую устойчивость, но позволило самолёту обрести радиолокационное «зрение». Первые лётные испытания, начавшиеся в январе 1942 года в районе Свердловска, выявили ряд технических ограничений.
Станция обладала «мёртвой зоной» — областью до 300 метров перед самолётом, в которой отражённые сигналы подавлялись собственным излучением передатчика. Кроме того, на малых высотах широкая диаграмма направленности антенны приводила к засветке экрана мощными отражениями от земли, делая обзор невозможным. Минимальная эффективная высота применения составила около 2000 метров — ниже радиолокатор практически не функционировал.
Но Тихомиров не сдавался. Его команда жила на аэродроме: дни и ночи уходили на смену антенн, перепайку схем, борьбу с отказами. К июлю «мертвая зона» сократилась до 100 метров, а дальность обнаружения бомбардировщика достигла 3500 м — скромно по меркам союзников, но революционно для СССР. Майор Доброславский, пилотируя Пе-2, ловил сигналы от самолета-мишени СБ. Точность — 5°. Этого хватило, чтобы до окончания испытаний запустить 15 предсерийных комплектов.
Осенью 1942 года первые самолёты Пе-2, оснащённые станцией «Гнейс-2», были переданы в состав ПВО Москвы, а вскоре направлены на южный фронт для действий в районе Сталинграда. Их основной задачей стал перехват немецких транспортных самолётов, снабжавших окружённую группировку вермахта под командованием фельдмаршала Паулюса. Тактика применения радиолокационного истребителя разрабатывалась непосредственно в боевых условиях. На первом этапе целеуказание осуществлялось с помощью наземных радиолокационных станций дальнего действия типа «Редут», после чего активировалась бортовая РЛС.
Однако применение «Гнейс-2» сопровождалось значительными техническими трудностями: излучение станции создавало помехи радиосвязи, что затрудняло координацию с операторами наземных РАС «Пегматит». Для успешной атаки требовалось высокоточное наведение — самолёт должен был выйти строго в заднюю полусферу цели на дистанцию не более 3000 метров. В противном случае эффективность радиолокатора резко снижалась. В официальных отчётах подчёркивалось, что решающим фактором успеха является уровень подготовки операторов наведения и их взаимодействие с лётным составом.
В феврале 1943 года в районе Ленинграда начались официальные войсковые испытания станции «Гнейс-2» в составе 2-го гвардейского корпуса ПВО. Эскадрилья истребителей Пе-2 с радиолокационным оборудованием находилась под непосредственным командованием генерала Е. Е. Ерлыкина. Ночью 12 марта был зафиксирован первый боевой эпизод: бортовая РЛС обнаружила самолёт противника — бомбардировщик Heinkel He 111, следовавший в направлении города. После наведения с использованием наземной РЛС, оператор получил устойчивый сигнал цели, и истребитель успешно сблизился с противником. Открытие огня с дистанции 200 метров завершилось уничтожением цели — это стало первой подтверждённой победой с применением отечественной радиолокационной системы.
16 июня 1943 года постановлением Государственного комитета обороны радиолокационная станция «Гнейс-2» была официально принята на вооружение. Главному разработчику, В. В. Тихомирову, поручили организацию серийного производства. Модифицированный комплекс весил около 300 кг — существенно меньше первоначально рассчитанных 500 — и устанавливался на самолёты типа Пе-2. При этом дополнительная масса и энергопотребление снижали боевую нагрузку машины: на выполнение ночного перехвата требовалось до 2200 литров топлива, оставляя бомбовую нагрузку не выше 700 кг. Тем не менее, в условиях нехватки технических решений для ночного воздушного боя станция продемонстрировала свою эффективность. Несмотря на ограниченные характеристики по сравнению с немецкими радиолокаторами типа «Лихтенштейн», обладавшими дальностью обнаружения до 8 км, «Гнейс-2» показал, что даже в ночных условиях советская авиация получила действенный инструмент радиолокационного наведения.
«Пе-2 Гнейс» так и не стал грозой люфтваффе — их было слишком мало. Но он перевернул сознание: война вступила в эру радиолокации. Его трубка с зеленой меткой цели — первый шаг в мир, где пилоты сражаются не с тьмой, а с иконкой на экране.