Приказом наркома авиационной промышленности от 30 декабря 1944 года заводу № 292 предписывалось перейти на выпуск еще не прошедшего испытаний трехпушечного Як-3. Можно встретить утверждение, что Як-3П серийно строился с весны 1945-го по лето 1946 года в Саратове и Тбилиси, но, судя по документам, все началось с 51-й серии на заводе № 292.

Осенью 1945 года второй серийный «Як» № 0251 поступил на контрольные испытания, акт по которым был утвержден 20 ноября того же года. На машине по сравнению с опытными экземплярами усилили обшивку крыла и ввели некоторые изменения в конструкцию установки вооружения, но и он контрольные испытания не выдержал по тем же причинам, что и его предшественники.

Первый вариант двигателя М-107П, рассчитанный на размещение в развале его цилиндров пушки, был создан еще перед войной. Тогда же за его установку на истребитель взялся опальный конструктор Д. Л. Томашевич, соратник Н. Н. Поликарпова. Затем М-107П пытались установить на ЛаГГ-3. Но ни И-110, ни машина С. А. Лавочкина испытания не выдержали, и главной причиной тому было недостаточное охлаждение двигателя. Да и мощность 1300 л. с. для перспективного истребителя была явно мала.

В ОКБ В. Я. Климова удалось форсировать двигатель по наддуву и установить на него новый приводной центробежный нагнетатель с поворотными лопатками В. И. Поликовского. В результате взлетная мощность двигателя, получившего обозначение М-107А (ВК-107А), возросла до 1600 л. с., а номинальная – до 1500 л. с. на высоте 4500 м. Если М-105ПФ имел удельную мощность 34,5 л. с./л, то М-107А – уже 42,7 л. с./л. Постановлением ГКО № 2346 от 25 сентября 1942-го КБ В. Я. Климова обязали к середине ноября завершить 50-часовые испытания мотора М-107А и к концу года довести его ресурс до 100 часов.

Як-3 с двигателем Вк-107А

Следует отметить, что первым с двигателем М-107А построили Як-9, летные испытания которого начались в феврале 1943 года. Первый же Як-1М с двигателем М-107А, как следует из краткого технического описания завода № 115, построили весной, предположительно в марте 1943 года, поскольку вышеупомянутый документ датирован 17 апреля. Вооружение сохранилось, как и на первом опытном экземпляре Як-1М, – мотор-пушка МП-20 и пулемет БС.

После заводских испытаний первый прототип Як-3 с мотором ВК-107А подвергли переделкам на опытном заводе № 115. Доработки в основном были связаны с заменой вооружения на два синхронных орудия Б-2 °C.

Работы продолжались с 22 ноября 1943-го по 6 января 1944 года, когда машину выкатили на аэродром. Чтобы выдержать требуемый противокапотажный угол, кабину пилота, как и на Як-9, сместили назад на 400 мм. На самолет установили облегченный винт ВИШ-107 с обтекателями комлей лопастей и изготовили два варианта всасывающих патрубков нагнетателя и входных туннелей маслорадиатора. Для испытаний подготовили также два варианта установки вооружения. 13 января 1944 года Як-3 № 1 с двигателем ВК-107А и без вооружения поднял в воздух летчик-испытатель П. Я. Федрови (ведущий инженер А. М. Дружинин).

В ходе заводских испытаний трижды меняли двигатели, выполнив 38 полетов общей продолжительностью 14 часов 50 минут. Причиной тому было недостаточное охлаждение мотора. Фактически основные усилия испытателей были направлены на доводку силовой установки, и лишь после 25 полетов удалось приступить к снятию летных характеристик. К этому времени взлетный вес машины возрос до 2984 кг, но продолжал оставаться рекордно низким по сравнению с самолетами противника, а нагрузка на взлетную мощность двигателя у него не превышала 1,81 кг/л. с. В то же время у трехточечного Ме-109Г-2 она составляла 1,95 кг/л. с., у Ме-109Г-6–1,97 кг/л. с., а у ФВ-190A-4 и его варианта «А-8» – 2,52 кг/л. с.

Это, в сочетании с хорошей отделкой планера, позволило получить у земли скорость 611 км/ч, а на 2-й границе высотности (5750 метров) – 720 км/ч. Самолет поднимался на высоту 5000 метров за 3,9 минуты и за боевой разворот (с высоты 1000 метров) набирал 1500 метров, превзойдя Як-3 с мотором ВК-105ПФ2. Практический потолок машины составил 11 800 метров. По времени виража (17–18 секунд на высоте 1000 метров) самолет был сопоставим с Як-3 с двигателем ВК-105ПФ2. Правда, взлетно-посадочные данные ухудшились. Так, длина разбега возросла с 275 до 345 метров, а пробега – с 485 до 590 метров.

По технике пилотирования истребитель, как и его предшественник, был прост и доступен пилотам средней квалификации. Пилотажно-навигационное и специальное оборудование машины позволяло эксплуатировать его лишь в простых метеоусловиях при видимости земных ориентиров. Но был и положительный момент. Дальность устойчивой радиосвязи возросла как минимум до 100 км и отвечала требованиям заказчика.

В ходе заводских испытаний дали о себе знать и дефекты вооружения. После 329 выстрелов сломался передний шкворень крепления правой пушки. Помимо этого, отмечался недостаточный противокапотажный угол (20,5–23,5 градуса) при требуемом 26,5 градуса.

Но все эти достижения «тонули» на фоне тяжелого температурного режима и низкого ресурса двигателя. Свою негативную роль сыграла и плохая герметизация его трущихся частей. Достаточно сказать, что на высотах более 8200 метров падало давление бензина и масла ниже минимального предела 3,5 кг/см2.

Спустя 16 дней после передачи первого экземпляра самолета на летные испытания, 22 января 1944 года, на аэродром выкатили второй прототип Як-3 ВК-107А «Дублер», как тогда было принято называть такие машины. На этом самолете изначально, еще на стадии проектирования и постройки, применили все технические решения, ставшие основой для переделок первого опытного экземпляра машины. Радикальным изменениям подверглись только фонарь кабины пилота, которому придали более обтекаемую форму, и установка вооружения с двумя опытными синхронными пушками Б-20. При этом полетный вес второго прототипа по сравнению с предшественником практически не изменился – 2932 кг. Соответственно одинаковыми были и летные данные. Максимальная скорость у земли Як-3 ВК-107А № 1 до модификации была равной 611 км/ч, а у № 2–610 км/ч (из-за неблагоприятных метеоусловий «Дублер» был облетан и проверен только на малых высотах). Заводские испытания, проведенные с 25 по 29 января 1944 года, показали, что основные дефекты, выявленные на первом прототипе, устранены и самолет может быть предъявлен на государственные испытания.

В НИИ ВВС Як-3 ВК-107А № 2 предъявили 2 февраля 1944 года. В тот день заводской пилот выполнил два полета на проверку работы винта ВИШ-107 (во время заводских испытаний была отмечена тряска винта на полных оборотах мотора). Характеристика винтомоторной группы осталась неизменной, и в НИИ ВВС самолет поступил с винтом АВ-10п-20. Государственные испытания начались 7 февраля и продолжались по 15 мая 1944 года. Ведущими по машине были инженер Г. А. Седов, летчики Ю. А. Антипов и А. Г. Прошаков.

Несмотря на несколько возросший полетный вес (как за счет установки нового винта, так и введения в крыло противофлаттерных грузов), летные данные машины остались неизменными. При боевой мощности мотора (допускалось 3200 оборотов в минуту в течение получаса) максимальная скорость горизонтального полета на второй границе высотности мотора 5750 метров составила 720 км/ч (717 км/ч на высоте 6000 метров у первого прототипа). Если горизонтальная маневренность машины осталась на уровне серийных образцов Як-3, то на вертикалях самолету не стало равных среди отечественных и среди зарубежных истребителей. Достаточно сказать, что за боевой разворот второй опытный экземпляр Як-3 ВК-107А поднимался на 1400–1500 метров.

Таким образом, цель создания истребителя – завоевание господства в воздухе – можно было бы считать достигнутой, если бы не два обстоятельства. Первое из них – крайне ненадежная работа двигателя ВК-107А. За время испытаний сменили три мотора из-за разрушения коренных подшипников. При назначенном ресурсе в 50 часов первые два двигателя 337-й и 347-й серий отработали лишь 15 часов 20 минут и 9 часов 20 минут соответственно. Третий мотор 347-й серии с назначенным ресурсом 100 часов наработал с начала эксплуатации лишь четыре часа (!), из которых в воздухе – 40 минут. Четвертый двигатель успел наработать только 23 часа 34 минуты, прошел в процессе испытаний ремонт с заменой блока и тоже был снят по причине разрушения коренных подшипников. Сильная тряска на пониженных оборотах мотора при его дросселировании выше границы высотности, течь масла через переднее уплотнение редуктора, падение давления масла ниже допустимого на высотах более 8000 метров, перегрев воды и масла в наборе высоты при температуре наружного воздуха у земли +30 °C, а в горизонтальном полете – при температуре +15 °C. В полетах отмечалось также самопроизвольное изменение наддува в наборе высоты выше установленных для мотора значений (1090 мм рт. ст. на первой и 1120 мм рт. ст. на второй границе высотности против разрешенных 1060 мм рт. ст.), не повлиявшего, тем не менее, на его нормальную работу.