В течение ряда лет В.М. Петляков принимал непосредственное участие в создании конструкций, разработанных А.Н. Туполевым, С 1925 по 1936 г. он возглавлял конструкторскую бригаду (бригаду крыла), занимавшуюся проектированием крыльев самолетов, начиная с одноместного АНТ-1 и кончая гигантом АНТ-20. В.М. Петляков являлся также одним из ответственных лиц, контролировавших производство этих самолетов не занимался внедрением в серийное производство одного из крупнейших самолетов середины двадцатых годов – тяжелого бомбардировщика ТБ-1. В дальнейшем на Петлякова было возложено усовершенствование конструкций четырехмоторного бомбардировщика ТБ-3 при внедрении его в серийное производство. Он внес в конструкцию самолета существенные изменения, добиваясь упрощения технологического процесса производства. В частности, много внимания было уделено унификации деталей, сокращению числа заклепок, взаимозаменяемости отдельных узлов я агрегатов. Все это позволило сократить срок производства я увеличить выпуск первоклассного для своего времени бомбардировщика ТБ-3.
ТБ-3 использовался еще и как самолет-матка (самолет-звено В.С. Вахмистрова). Звено состояло из самолета-матки ТБ-3, двух истребителей И-5, двух истребителей И-18 и самолета И-Z. Эта авиаматка давала возможность значительно увеличить радиус действия находящихся на ней истребителей, так как при полете авиаматки они не расходовали горючее из собственных баков, а при запуске, взлете а совместном полете питались от топливной системы тяжелого бомбардировщика, имевшего большой запас горючего.
В конце 1935 г. этот «летающий аэродром» был поднят в воздух летчиком-испытателем ГК НИИ ВВС П.М. Стефановским. Летчиками на истребителях были также хорошо известные испытатели Супрун, Никашин, Алтынов, Будаков и Степанчонок. Последний на самолете И-Z подцеплялся к матке в воздухе. Все летчики были энтузиастами и настоящими героями, прокладывавшими путь новым летательным аппаратам.
Ряд обстоятельств как технического, так и организационного характера помешал дальнейшему осуществлению работ в этом направлении. Однако один из вариантов самолета ТБ-3, под крыльями которого подвешивались истребители И-16 с бомбами ФАБ-250, с большим эффектом применялся в период Великой Отечественной войны для поражения точечных целей (в основном мостов). Один из таких боевых вылетов завершился уничтожением Черноводского моста, находившегося на расстоянии, недоступном для обычных истребителей. Мост был разрушен с первого захода на пикировании двумя истребителями И-16, доставленными на тяжелом бомбардировщике ТБ-3.
Идея составных самолетов получила дальнейшее развитие как у нас, так и за рубежом, но в основном для отработки будущих самолетов в целях достижения больших скоростей и высот полета. Подобная составная система создана в настоящее время в СССР и США как многоразовый космический корабль.