Вначале проектировался и строился опытный самолет под индексом ХАИ-51, на котором мыслилось отработать новые агрегаты и системы, а также устранить выявленные при летных испытаниях недостатки. Второй опытный образец ХАИ-52 после доработок намечался эталоном для серийного производства, сменив на стапелях завода самолет Р-10.

Своими очертаниями он повторял самолет Р-10. Но только внешне.

Сечение фюзеляжа, обжатое до минимальных размеров, уширили для увеличения объема бомбового отсека, что позволило установить по оси самолета центральную балку для подвески четырех стокилограммовых бомб. В фюзеляже размещались фототурель с фотоустановкой АФА-19 и связная радиостанция РСР. Разработали новую конструкцию шасси и вместо пневмомеханической системы уборки-выпуска установили более надежную электрогидравлическую.

Высокое аэродинамическое качество самолета достигалось за счет нового профиля крыла с гладкой обшивкой. Конструкцию нервюр крыла разработали на основе итальянского проекта, переданного в ОКО органами НКВД. То же происхождение имели чертежи деревянных крыльевых бензобаков, пропитанных бакелитовым лаком. Емкость бензобаков увеличили с тем, чтобы повысить нормальную дальность до 1000 км, а с перегрузкой - до 2000 км.

В новом лонжероне из дюраля к полкам приклепывалась фанерная лента, а уже к ней приклеивалась фанерная обшивка. Тем самым достигалось значительное облегчение конструкции крыла.