В октябре 1937 г. из сборочного цеха вышел модифицированный И-15бис с тем же двигателем М-25В — так называемый опытный самолет И-15бис № 3392. Предполагалось, что он будет эталоном производства на первое полугодие 1938 г. Первый вылет И -15бис № 3392 состоялся 22 ноября 1937 г.

Он отличался от серийного самолета И-15бис следующим:

1) Поставлено кольцо Тауненда вместо капота NACA.

2) Поставлены отдельные выхлопные патрубки вместо коллектора.

3) Изменена приборная доска и расположение приборов.

4) Обтяжка крыльев произведена по методу Лиссов-ского.

5) Вся силовая схема фюзеляжа и моторная рама выполнены из хромансилевой стали, произведен ряд мелких конструктивных изменений, которые были выявлены в результате эксплуатации (козырек, амортизатор костыля, передние амортизаторы лыж и др.).

Данные конструктивные изменения были в основном ориентированы на облегчение И-15бис. Постановка кольца Тауненда по сравнению с капотом NACA дала уменьшение веса в 15,5 кг; постановка отдельных патрубков вместо коллектора дала уменьшение веса в 15,6 к г. В итоге полетный вес данной машины был доведен до 1590 к г. Длина стала равной 6,34 м. Практический потолок достигал 9600 м. Время набора высоты 5000 м равнялось 7,73 мин, а время виража на высоте 1000 м — 10,5 сек. Выигрыш по сравнению с серийным И-15бис был небольшим, поэтому в серии самолет не строился.

В конце 1937 г. под руководством Н. Н. Поликарпова был разработан проект еще одной модификации И-15бис — истребителя И-152. Предполагалось, что он будет эталоном для серии на вторую половину 1938 г. И-152 строился довольно долго: основное внимание Поликарпов сосредоточил на более перспективном И-153. Испытания машины завершились лишь осенью 1938 г.

Приведем основные отличия И-152 от И-15бис с М-25В:

1. С целью уменьшения тряски на мотораму поставили двойную амортизацию.

2. Самолет оборудован воздушным самопуском и имеет храповик для запуска мотора от автостартера.

3. Вместо кольцевого выхлопного коллектора поставлены индивидуальные выхлопные патрубки.

4. Капот НАКА заменен на удлиненное кольцо Тауненда.

5. Бензобак протектирован, емкость его уменьшена (270 л вместо 315 л на самолете И-15бис).

6. Бензопроводка выполнена из дюралевых труб, в местах соединений поставлен бензиностойкий дюрит.

7. Козырек кабины изменен: лобовая часть его сделана плоской, чем исключаются искажения при пользовании прицелом ПАК-1.

8. Применен новый способ крепления полотна к нервюрам.

Полетный вес И-152 М-25В был равен 1648 кг, т. е. на 8 кг больше полетного веса головного серийного самолета И-15бис № 3868. Вес пустого самолета составлял 1251,6 к г. Вираж на высоте 1000 м И-152 выполнял за 11–12 сек. Разбег — 170–175 м (10,5-10,9 сек), на форсаже — 150–160 м (8,9–9 с). Пробег без тормозов — 310–315 м, с тормозами — 230–235 м. Максимальная скорость на границе высотности увеличилась на 6 км/ч.

2 сентября 1938 г. начальник ВВС РККА Локтионов утвердил отчет об испытании И-152 М-25В (заводской номер № 3495). В Заключении записано:

«1. Самолет И-152 М25В — эталон 1-й половины 1938 г., госиспытания прошел удовлетворительно.

2. Вследствие задержки выпуска самолета И-152 более чем на полгода и незначительного расхождения в летных данных по сравнению с серийным самолетом И-15бис, а также преимущества выхлопного коллектора при ночных полетах — производство самолетов И-152 нецелесообразно.

Вместо перестроения производства для изменения И-15бис, НИИ ВВС считает необходимым поручить заводу 1 готовить производство к серийному выпуску с начала 1939 г. самолетов И-153...»

Вновь вернемся к самолету И-15бис. Дальнейшее совершенствование машины проходило в направлении повышения высотности, скорости, совершенствования вооружения и оборудования.

В конце 1937 г. был разработан проект установки на И-15бис турбокомпрессоров ТК-1. В них нагнетатель, используя энергию выхлопных газов, обеспечивал повышение мощности двигателя на больших высотах. Самолеты этой модификации отличались от исходного образца установленными в капоте турбокомпрессорами, другим винтом и коком, измененной системой подвода воздуха к карбюратору и соответственно воздухозаборниками около каждого турбокомпрессора. Борта фюзеляжа от турбокомпрессора до кабины обшивались дюралем.

Испытание опытного экземпляра начались 29 августа 1938 г. и прошли быстро. Была заказана опытная серия И-15бис с М-25В и ТК-1 из 10 машин. Серийные испытания продолжались до 3 октября 1939 г. Их проводили летчики Емельянов, Логинов, Кудрин, Белозеров. Максимальная скорость самолета достигла 398 км/ч на высоте 8000 м.

Высоту 7000 м И-15бис набирал за 11,3 мин с ТКи 14 мин без ТК. Во время испытаний в пикировании достигалась скорость 720 км/ч.

В Заключении по результатам летных испытаний указывалось, что:

«1. Самолет И-15бис с мотором М-25В ТК-1 развивает скорость 400 км/час на высоте 8000 метров против 320 км/ час на той же высоте без турбокомпрессоров…

6. Опытная серия самолетов И-15бис в количестве 10 штук, оборудованных турбокомпрессорами, после проведенных испытаний и переделок, согласно эталонной машине № 5975, может быть сдана на войсковые испытания».

В 1938–1939 гг. проходил испытания и ряд других модификаций И-15бис. В их числе И-15бис с винтом изменяемого шага ВИШ-6А (1938 г., потолок 9600 м), затем с АВ-1 (1939 г.), а также с одним подфюзеляжным баком (март-апрель 1939 г.), с 4 подвесными баками под крылом на 148 литров бензина (1939 г.), с установкой ракетного оружия (1939 г.), с пирозапуском двигателя М-25В.

На основании положительных результатов испытаний завод № 1 построил в 1939 г. небольшие серии самолетов И-15бис с подвесными баками (50 машин), с установкой ракетного оружия (16 шт.) и с пирозапуском (8 шт.).

В начале 1939 г. начались испытания истребителя И-15бис с двигателем М-62 взлетной мощностью 920 л.с. и 800 л.с. на расчетной высоте. Они показали, что И-15бис с этим мотором развивает максимальную скорость 394 км/ч на высоте 4000 м.

Постановление Комитета обороны СССР № 240сс от 29 июля 1939 г. предписывало построить «25 самолетов И-15бис с мотором М-62 для отработки замены мотора М-25В на мотор М-62 на самолетах И-15бис в частях ВВС РККА». Всего за 1939 г. завод № 1 выпустил 27 серийных машин с этим двигателем.

С 29 октября по 20 декабря 1939 г. и с 13 января 1940 г. по 22 марта 1940 г. летчик-испытатель А. И. Залевский совершал полеты на И-15бис № 5739 с М-62 и винтом изменяемого шага АВ-1. Они показали, что этот винт не дает ожидаемых результатов.

Предполагалась постройка И-15бис с М-62, двумя турбокомпрессорами ТК-1, вооруженного четырьмя синхронными пулеметами ШКАС. Ожидалось, что самолет сможет развить максимальную скорость 410 км/ч на высоте 5000 м и достичь потолка 10 000 м. Но прекращение серийного производства И-15бис остановило эти работы.

В начале 1939 г. А. Я. Щербаков для И-15бис № 3710 разработал одну из первых в СССР гермокабин жесткого типа для истребителей. Она была изготовлена из дюраля Д1 с резиновой камерой внутри и вставлена в сварную ферму фюзеляжа. Кабину закрывал полукруглый купол с иллюминаторами. В отчете по испытаниям, проходившим с 29 августа по 4 октября 1939 г., отмечалось, что:

«…Теплоизоляция герметической кабины хорошая, на высоте 6500 м при температуре наружного воздуха -20°внутри кабины устойчиво держалась температура от + 15 до + 28» (полет продолжался 1 час 10 минут)…

Открытие и закрытие [кабины] в полете возможны только на малых скоростях».

И отмеченный крупный основной недостаток, и ряд более мелких недоработок можно было устранить. Однако полеты продолжались сравнительно недолго. Во время очередного испытания при рулежке по аэродрому И-15бис столкнулся с польским двухмоторным бомбардировщиком ПЗЛ «Лось». Истребитель оказался полностью разрушенным, а пилотировавший его летчик Б. П. Кощавцев был убит винтом правого мотора. Но полученный опыт впоследствии пригодился для создания гермокабин других истребителей.