Развитие производства И-3 и эксплуатация машины в частях сильно сдерживались низкой культурой производства авиадвигателей, отсутствием единых отраслевых стандартов и нормалей. В марте 1931 г. начальник ВВС П. И. Баранов констатировал, что моторы М-17, выпускаемые заводами № 24 и № 26, невзаимозаменяемые, хотя и производятся по одной лицензии, отметил низкое качество выпускаемой продукции. Многие недостатки он объяснял происками «вредителей» («Вредители, не будучи в состоянии отрицать своей вредительской деятельности, осознали свою вину, но вместе с тем, где возможно, продолжают затемнять дело»).
С конца 1929 г. истребитель И-3 начал поступать на вооружение частей Московского, Белорусского, Киевского военных. кругов, а с 1930 г. он стал основным истребителем ВВС СССР. По состоянию на 1 января 1931 г. в составе ВВС РККА насчитывалось 258 исправных истребителей И-3, 21 неисправный, всего 279 машин. В начале 1932 г. на вооружении ВВС находилось 297 самолетов данного типа. В эксплуатации И-3 зарекомендовал себя как прочный, надежный истребитель. Срок военной службы самолета оказался недолгим, и в конце 1934 г. последовал приказ о снятии его со снабжения ВВС РККА. Некоторое количество И-3 использовалось затем в летных школах.
В авиации ВМФ И-3 практически не использовался, так как там основным истребителем являлся И-4.
И-3 послужил основой для создания ряда модификаций.
Еще до завершения постройки первого опытного экземпляра в конце 1927 г. руководство ВВС выразило пожелание рассмотреть вопрос о возможности установки под нижним крылом И-3 двух дополнительных пулеметов. Указание УВВС завод № 25 выполнил в 1928 г. на одном из первых экземпляров И-3. Пулеметные установки были пристреляны в тире, после чего машину предъявили НТК. Однако серийно этот вариант УВВС решило не строить.
После окончания испытаний опытного экземпляра И-3 Авиатрест выдал задание на разработку на его основе морского поплавкового истребителя МИ3-БМВ6. В плане работ КБ завода № 25 на 1928/29 операционный год предписывалось начать его проектирование с 1 октября 1928 г. Затем последовал неизбежный процесс оформления задания, согласования технических характеристик. Было принято решение использовать на самолете мотор М -17. 9 мая 1929 г. в письме в Авиатрест за номером 761 Николай Николаевич в числе успешно выполняемых плановых работ отметил «И-3 на поплавках», т. е. МИ3-М17. Тем не менее проектирование проводилось медленными темпами минимальным числом конструкторов. Поликарпов, занимаясь созданием нового семейства перспективных истребителей, не считал это задание достаточно приоритетным. Все же к сентябрю 1929 г. предварительный эскизный проект был завершен. После отстранения Николая Николаевича от активной конструкторской деятельности в октябре 1929 г. все работы над ним прекратились.
Появление других модификаций И-3 было связано с попытками установить на него более мощные моторы.
Наиболее быстро и просто реализуемой оказалась идея замены мотора БМВ-VI (500/600 л.с.) на БМВ-VIZ мощностью 500/730 л.с. с картером из электрона. Истребитель И-3 с ним был построен и испытан. Вес пустого самолета увеличился до 1387,5 кг, а взлетный — до 1832 к г.
На заводских испытаниях в отдельных полетах истребитель развивал у земли скорость до 300 км/ч, а высоту 5000 м набирал за 10 минут. На испытаниях в НИИ зафиксированы следующие характеристики: максимальная скорость у земли 290 км/ч, 275 км/ч — на высоте 3000 м, высоту 5000 м самолет набирал за 12,3 мин. Практический потолок по сравнению с «классическим» И-3 уменьшился на 160 м.
Пилотажные характеристики также улучшились. Особенно это касалось штопорных свойств самолета. В отчете о летных испытаниях И-3 с двигателем БМВ-VIZ, которые проходили в 1929 г., в частности, говорилось: «…Правый и левый штопор получаются только при вводе с виража при полной потере скорости. Штопор крутой, нормальный. При малейшем отпускании ручки вправо или от себя самолет переходит в крутую спираль».
Продолжения эта работа не имела. Двигателей БМВ-VIZ было закуплено мало, постройка по лицензии не предполагалась, но опыт изучения его конструкции оказался полезным при создании форсированного мотора М-17Ф с увеличенной до 730 л.с. мощностью на взлетном режиме.
Поликарпов понимал, что от схемы можно взять гораздо больше и с установкой более мощного, но одновременно и легкого двигателя характеристики, несомненно, повысятся. Еще при разработке эскизного проекта он считал более подходящими двигателями для И-3 моторы «Испано-Сюи-за» 600 л.с. и «Нэпир» 550 л.с. Но за границей эти двигатели закупить не удалось. Отечественное моторостроение в то время находилось на этапе становления. Лишь после начала переговоров о поставках в СССР американских двигателей «Паккард» 2А-1500 мощностью 600 л.с. ситуация, казалось, сдвинулась с мертвой точки. В конце 1928 г. в планы работ КБ завода № 25 был вписан пункт о проектировании варианта И-3 с этим двигателем. Дальше предварительных прорисовок дело не пошло, так как завод № 25 не получил ни одного экземпляра мотора данного типа.
В 1930 г. И-3 хотели оснастить новым мотором М-34, но уже в конце того же года руководством ВВС было принято решение о прекращении выпуска И-3, поэтому разработка варианта И-3 с М-34 так и не была завершена.
К еще одной модификации И-3 можно отнести двухместный истребитель Д-2 с мотором М-17 или БМВ-VI (другие обозначения: Д2, Д2-М17, ДИ-2). Задание на его проектирование было выдано Авиатрестом в начале 1927 г. и согласовано с НТК ВВС летом того же года. Поликарпов в разработке и этого истребителя старался воплотить идею модульной конструкции. От предшественника Д-2 отличался немного большими размерами, наличием второй кабины с турельной установкой двух пулеметов ПВ-1.
Для повышения летных характеристик предполагалось использовать двигатель БМВ-VIZ и увеличить дальность Д-2 за счет установки центропланного бака.
Еще до постройки истребителя Николай Николаевич начал разработку модификации машины с двигателем воздушного охлаждения «Юпитер» VII мощностью 600 л.с. В 1929 г. проект был готов. Его собирались запустить в производство после завершения испытаний Д-2 с БМВ-VI. Ввиду отсутствия мотора «Юпитер» VII правление Авиатреста предложило Поликарпову поставить на этот самолет двигатель «Юпитер» IV мощностью 420 л.с., а характеристики, получаемые на летных испытаниях, пересчитывать под требуемую мощность.
С октября 1928 г. развернулась постройка первого экземпляра Д-2 с мотором БМВ-VI. По планам, на его основе летом 1930 г. предполагалось выпустить ночной двухместный истребитель НД2-М17, проектированием которого также занималось КБ.
Заводские испытания Д-2 с мотором БМВ-VI начались с апреля 1929 г. Проводил их летчик Б. Л. Бухгольц. В отзывах о самолете, датированных 26 апреля 1929 г., Бухгольц отметил: «…Самолет Д-2 по скорости и скороподъемности не уступает большинству современных одноместных истребителей, так что при наличии более мощного вооружения по сравнению с таковыми тактические качества Д-2 значительно выше одноместных истребителей, благодаря чему этот самолет становится в ряды первоклассных боевых единиц воздушного флота… По своим летным данным самолет является большим достижением нашей авиапромышленности, не только достигая уровня заграничной промышленности, но и превосходя таковую». Из недостатков летчик отметил некоторое неблагополучие при выходе из штопора, что, по его мнению, свидетельствует о возможности перехода самолета в плоский штопор.
Затем Д-2 был возвращен на завод для внесения соответствующих доработок в конструкцию. После отстранения Поликарпова работы по Д-2 на некоторое время были приостановлены. В конце 1929 г. начался второй этап заводских испытаний. После не во всем продуманных переделок центровка машины изменилась, на некоторых режимах появились вибрации хвостового оперения. Увеличение поперечного угла оперения позволило устранить их.
В июле 1930 г. начались испытания в НИИ ВВС. По первым положительным результатам было принято решение о запуске машины в производство и в программу ГАЗ № 1 на 1930 г. было вписано задание на постройку первой серии из 30 Д-2. Однако отзывы о самолете летчика НИИ А. В. Чекарева разительно отличались в худшую сторону от отзывов Б. Л. Бухгольца. Вновь отмечена небольшая вибрация оперения. 4 августа 1930 г., когда над Центральным аэродромом на Д-2 выполнялось пикирование с последующим выходом на горизонтальную площадку, отвалилось оперение и произошла катастрофа. Экипаж погиб. Выдвигались две наиболее вероятные причины катастрофы: 1) нарастающие вибрации хвостового оперения, которые привели к его разрушению; 2) недостаточно прочная конструкция его крепления после переделки для увеличения поперечного угла установки. Еще одной причиной могло быть ослабление затяжки крепежных соединений оперения, что не было проворено на земле при подготовке к полету, привело к люфтам в узлах крепления, а затем к вибрациям оперения и гибели экипажа.
