В декабре 1939 г. летчик-испытатель Логинов поднял в воздух И-15бис с двумя прямоточными воздушно-реактивными двигателями ДМ-2 конструкции И. А. Меркулова. За 54 полета удалось избавиться от дефектов, оценить перспективы развития ДМ-2. Средний прирост скорости составлял 18–22 км/ч. Эти работы имели большое значение для создания прямоточных двигателей нового поколения.

16 марта 1938 г. начальник УТМС ВВС РККА Иоффе направил письмо № 219279с начальнику Первого Главного управления НКОП Беляйкину (копия — главному конструктору завода № 156 Поликарпову), в котором указал, что «обучение пилотированию на самолете И-15бис-М25В затруднено тем, что нет двухместного переходного самолета», и просил дать задание Н. Н. Поликарпову на создание двухместного варианта И-15бис, вооруженного двумя пулеметами ШКАС.

Была оперативно разработана конструкция такого самолета, получившего обозначение ДИТ-2 (двухместный истребитель тренировочный, второй). В нем за счет уменьшения топливного бака, сокращения числа пулеметов удалось разместить еще одну кабину. Вес пустого самолета равнялся 1316 кг, полетный вес — 1752 к г.

Летом 1939 г. проходили сначала заводские, затем государственные испытания ДИТ-2 № 5337. На самолете летали Стефановский, Николаев, Кубышкин, Кочетков и др. Отчет о государственных испытаниях утвердил 25 августа 1939 г. начальник ВВС РККА Локтионов. Летчики отмечали, что по своим летным данным самолет ДИТ-2 близко подходит к И-15бис, что в режиме горизонтального полета ДИТ-2 устойчив как в продольном, так и в поперечном отношении.

Наиболее серьезными недостатками являлись запаздывание на выходе из штопора и вибрации хвостового оперения на малых скоростях. После доработок самолет запустили в серию на заводе № 1, где в 1939 г. было построено два экземпляра. Затем (в конце 1939 г.) заказ передали на завод № 207. Завершить подготовку к производству не удалось из-за внедрения в серию на этом заводе новых бомбардировщиков Су-2. Эпоха И-15 подходила к концу.

Самолетам И-15бис было суждено участвовать во многих войнах.

В ноябре 1937 г. И-15бис появились в Китае в районе Нанкина, где им противостояли части японской морской авиации и элитные соединения сухопутной — «Воздушный самурай», «Четыре высочайших короля воздуха». Истребительными частями китайской авиации, ядром которой являлись советские летчики-добровольцы, командовал С. П. Супрун. И-15бис превосходили японские истребители-бипланы Ki-10 и примерно на равных вели бои с монопланами ВМФ А5М2. С появлением новейших японских истребителей Накадзима Ki-27 самолеты И-15бис стали отходить на второй план. Тем не менее там до 1940 г. на них воевали не только наши, но и китайские летчики.

В начале 1939 г. 34 истребителя прибыли в Испанию, где их называли «супер чато». До окончания войны мятежникам удалось на аэродромах захватить 18 И-15бис. После падения республики из 20 машин франкисты сформировали подразделение, базировавшееся на аэродроме г. Реуса.

Весной-летом 1939 г. И-15бис воевали в Монголии на Халхин-Голе, где считались уже устаревшими машинами.

И-15бис использовались во время «зимней» войны с Финляндией 1939–1940 гг. в составе ВВС и ВВС ВМФ. Пять совершивших вынужденную посадку самолетов были захвачены финнами, из них три использовались в финских ВВС в качестве тренировочных машин до 1945 г.

К моменту нападения Германии на СССР в строю находилось достаточное количество И-15бис, например, в составе ВВС ВМФ они составляли около 20 % от общего числа истребителей (1419 шт.). Существенно уступая вражеским самолетам, И-15бис в основном применялись в качестве штурмовиков. Несмотря на численное превосходство противника, сложившееся в небе к осени 1941 г., при удачном стечении обстоятельств на машинах этого типа наносили урон противнику и в воздушных боях. Например, 7 октября 1941 г. при отражении налета немецкой авиации на Мариуполь капитан Агафонов сумел сбить на И-15бис два истребителя Ме-109.

В действующей армии И-15бис находились до конца 1942 г., затем их стали передавать в учебные подразделения. На Дальнем Востоке эти машины оставались на вооружении до 1944 г.

Перечисленными выше модификациями И-15бис не исчерпывалась линия развития семейства самолетов И-15. Для того чтобы начать изложение истории создания еще одной машины, разработанной под руководством Н. Н. Поликарпова, вернемся к событиям 1937 г.

Летом этого года летчики, вернувшиеся из Испании, на встречах с авиационными специалистами, анализируя опыт первых воздушных сражений, говорили о достоинствах и недостатках нашей техники, вооружения, тактических приемов. На совещаниях присутствовал и Н. Н. Поликарпов. Летчики высоко оценивали маневренные качества истребителя И-15, однако отмечали необходимость установки бронеспинки, повышения максимальной скорости полета, мощи вооружения. В своем ответном выступлении Николай Николаевич пообещал учесть замечания летчиков в новых модификациях и новых конструкциях. О результатах работы совещаний было доложено наркому обороны К. Е. Ворошилову. Для обобщения боевого опыта и оперативной подготовки соответствующих решений была создана специальная группа под руководством начальника Главного штаба ВВС Артепухина.

Многое в высказываниях летчиков не увязывалось с концепцией уже проходившего испытания истребителя И-15бис. Требовалось разработать новую конструкцию. Повысить скорость можно было бы установкой мотора мощностью 850-1000 л.с., но моторов подобной мощности в СССР тогда не было. Оставался только один путь — борьба за аэродинамическое совершенство самолета.

По инициативе Поликарпова проектирование нового истребителя началось в июле 1937 г. Ведущим по машине был назначен Д. Л. Томашевич. Для улучшения аэродинамики было решено применить разработанное Томашевичем оригинальное убираемое шасси. На машину предполагалось установить самый мощный двигатель воздушного охлаждения из строившихся в СССР — М-25В. Первые наброски самолета выполнил под руководством Н. Н. Поликарпова и Д. Л. Томашевича недавний выпускник Московского авиационного института М. К. Янгель, впоследствии главный конструктор ракетно-космической техники. Первоначально проект представлял собой полутораплан с закрытой кабиной, нормальным центропланом верхнего крыла и убираемым шасси. Беседы Поликарпова с еще одной группой летчиков, прибывших из Испании, убедили его вернуться к схеме «чайка», вопреки мнению руководства ВВС. Так был разработан новый вариант проекта, получивший обозначение И-153. Однако он не был одобрен НИИ ВВС. Проектирование истребителя, проводившегося в инициативном порядке и не имевшего финансовой и моральной поддержки у руководства авиапромышленности и ВВС, зашло в тупик.

В конце сентября 1937 г. советник командующего испанской авиацией Я. Смушкевич возвратился в СССР. Решением правительства ему было присвоено высокое звание Героя Советского Союза. Вскоре комкора Смушкевича назначили временно исполняющим обязанности начальника ВВС РККА.

2 октября 1937 г. Н. Н. Поликарпов подписал доработанный эскизный проект самолета (заранее предусмотрев в нем установку помимо М-25В более мощного мотора М-62, который еще только проходил испытания) и 11 октября направил его в адрес ВРИД начальника ВВС, а также руководителя главка А. Н. Туполева.

Смушкевич поставил вопрос о необходимости скорейшей разработки и внедрения в серийное производство нового маневренного истребителя на заседании Совета Труда и Обороны Союза ССР. 14 октября 1937 г. Смушкевич направил письмо за № 139144 народному комиссару оборонной промышленности М. М. Кагановичу (копии — главному конструктору самолета И-15 Поликарпову и директору завода № 1 Сидоре) следующего содержания:

«Мною рассмотрен разработанный по инициативе Главного Конструктора тов. ПОЛИКАРПОВА эскизный проект самолета И-153 (модификация И-15бис для 1938 г.); с запроектированными данными этого самолета я согласен.

Прошу срочно дать задание директору завода № 1 тов. СИДОРА немедленно приступить к постройке опытных самолетов И-153 по схеме типа «чайка» и с нормальным центропланом.