二战期间苏联的伊尔-2对地攻击机在战场上发挥了重大作用，堪称空中版T-34坦克，是苏军装备数量最多的战机之一，同时期苏联着手研制伊尔-10替代伊尔-2，新飞机在1944年开始服役，大约3年后苏联重新提出了攻击机的标准要求，更新一代的攻击机伊尔-20开始研制。
伊尔-20是一种全金属、低单翼、单引擎重型对地攻击机，空重7500千克，与伊尔-10相比，除了机动能力没有太大改变之外，在装甲防护和火力方面有明显增强。
新攻击机采用了非常奇葩的机头造型，机头发动机舱内安装一台M-47型V-12液冷活塞发动机，可输出3000马力，驱动一副4桨叶恒速螺旋桨，飞机最大飞行速度515千米/小时，最大飞行高度7750米，最大航程1680千米。飞行员的座舱位置没有像常规飞机那样安装在发动机舱后方，而是“骑”在发动机上方，让机头显得又扁又高，造型和吃珊瑚的蓝鹦嘴鱼很像。
这种设计虽然奇葩，但也有它的好处，飞行员获得广的视野，缩短了机体长度，飞行员在平飞中可以看到水平线以下37°的视野，攻击机以40°~45°俯冲时飞行员可以看到正下方。另一名机组担任炮手和无线电员，他的阵位则在飞行员的后下方，两人中间隔着一个巨大的油箱。
飞机翼展较大，达到了17米，靠近机体的一小段为平直型，外侧翼段略微上反，主起落架收纳舱安装在机翼上，尾轮在机尾下方，也可以完全收缩。
该机注重防护，设计师采用承重装甲外壳，一定程度上减轻了结构。相比于伊尔-2或伊尔-10，伊尔-20的防护更全面、更厚重，增加了顶部防护，飞行员、炮手、发动机、燃料、冷却系统全部获得厚度在6~15毫米装甲板的保护，机组各自的缸盖正面和顶部有100毫米厚的防弹玻璃，侧面则有65毫米厚的防弹玻璃，全机运用在装甲防护上的重量高达1840千克，因此人们认为它可以抵挡12.7毫米机枪或20毫米机炮的打击。
攻击机的武器足够强大，在原型机上两侧机翼各安装2门前向射击的23毫米机炮，总共备弹900发，飞行员可以调整炮管向下倾斜23°，如此一来就能以平飞的姿态扫射地面。炮手操作后方另一门23毫米机炮，它安装在炮塔里，因为炮塔位置比较低矮，射界可能不太好。攻击机的弹药挂载能力约1200千克，在机翼下还能挂载4枚RS-132火箭弹，作为当时的攻击机，这些挂载能力并不算很差，比伊尔-2和伊尔-10都强。
人们还提出了很多设想，例如将机炮口径增加到37毫米或45毫米，在机腹炮手阵位的下方再安装2门机炮，增强对地扫射能力，以及给飞机安装AG-2空中榴弹炮射器，它可以容纳10枚带小降落伞的榴弹，当遭到敌机咬尾攻击时可以释放出去，延迟3~4秒后爆炸。
如果仅仅和之前两款螺旋桨式攻击机相比，伊尔-20的综合性能比它们强了不少，但也暴漏出了一些问题，例如它那巨大的机头导致飞行阻力过大，不利于动力提升，驾驶舱阻碍了发动机的日常维护。与此同时喷气式发动机的技术进步让大量螺旋桨飞机瞬间过时，伊尔-20也不例外，苏联在1949年5月停止了该项目，转而研制伊尔-40喷气式攻击机。
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