Одним из направлений совершенствования самолета стало повышение высотности путем использования турбокомпрессоров (ТК). При этом потребовалось провести соответствующие доработки мотоустановки «Чайки», включая значительные изменения капотирования двигателя. Поначалу изготовили четыре самолета войсковой серии (№№ 6001, 6003, 6006 и 6011), оснащенные двигателями М-25В и М-62. Их заводские и Государственные испытания объединили и провели с 19 июля по 29 августа 1939 г. Отмечалось, что в отдельных случаях пилоты забирались на высоту 12 км.

И-153ТК с М-25В развивал максимальную скорость 455 км/ч на высоте 8750 м, а И-153ТК с М-62 разгонялся до 482 км/ч на высоте 10300 м. Согласно заводским отчетам, в 1940 г. построили еще 20 «Чаек» с М-62ТК и одну с М-63ТК. Самолеты предполагалось использовать в частях ПВО, однако подтверждения этому автор не обнаружил.

Опыты с герметическими кабинами, начатые на И-15 и И-15бис, последовательно продолжились на И-153. В конце июля 1939 г. КБ Поликарпова получило задание на оснащение одной серийной «Чайки» герметической кабиной и турбокомпрессорами. Непосредственно этой работой занимался коллектив конструктора А. Щербакова, который размещался на производственной площадке подмосковного авиазавода № 289. Практически без изменения конструкции самолета в него вмонтировали гермокабину, позволявшую летчикам выполнять полеты на высотах более 4-х км без кислородного оборудования и специального теплого комбинезона, стеснявшего движения. Турбокомпрессоры установлены не были. Конструктивно гермокабина была выполнена как сварной металлический «кокон» (сталь С20), близкий по размерам фигуре сидящего летчика. Ее фонарь состоял из козырька и откидной части. Непосредственно перед козырьком установили прицел ПАН-22 в специальном кожухе. Чтобы улучшить обзор назад, гаргрот выполнили с большим остеклением. Для обеспечения необходимых жизненных условий в кабине воздух из нее проходил через специальные регенерирующие патроны, поглощавшие углекислый газ, и очищенным возвращался обратно. Недостаток кислорода пополнялся за счет подачи его из 4-литрового баллона. Поддерживаемое внутри постоянное избыточное давление составляло 0,2 атмосферы, температура – около +10"С.

В июле 1940 г. переоборудованная «Чайка» (зав. № 6034) была представлена для прохождения Госиспытаний. Полеты И-153ГК проходили с 20 по 30 июля 1940 г. Летчики, в числе которых был уже известный тогда Степан Супрун, отметили, что летные качества И-153 практически не изменились. Устойчивость машины, несмотря на смещение центровки назад более чем на 2%САХ, осталась прежней. Из-за прицела ПАН-22 обзор вперед ухудшился, зато назад стал лучше, тем более что вертеться в легком комбинезоне было несравнимо легче, чем в толстом зимнем обмундировании. Всего летчики выполнили 11 полетов, 9 из них на предельную высоту – более 10 км. Проведенные учебные бои с И-16 и стандартными И-153 стали скорее данью традиционным видам испытаний, ибо выявить какие- либо особенности, кроме уже упомянутого незначительного ухудшения обзора, за столь короткий срок было практически невозможно. Зато все пилоты отмечали малый шум в кабине и отсутствие усталости после пребывания на большой высоте. Например, Супрун, слетавший 30 июля на высоту 10 км, был приятно удивлен, что ему не требуется обычный отдых после высотного полета, и уже через 20 минут вылетел на немецком Не 100, проходившем испытания в НИИ ВВС.

По результатам испытаний рекомендовалось выпустить небольшое количество «Чаек» с гермокабиной для накопления опыта эксплуатации. Однако серии не последовало, и, по имеющимся у автора данным, И-153 № 6034 остался в единственном экземпляре.

Причиной появления проекта И-153Б стало стремление отказаться от межкрыльевых лент-расчалок, которые создавали дополнительное аэродинамическое сопротивление и требовали постоянного присмотра и регулировки. В новой модификации необходимую жесткость коробки крыльев обеспечивало нижнее крыло трапециевидной формы с фанерной обшивкой и увеличенной корневой хордой. Реализация идеи представлялась легко осуществимой, объем переделок базового самолета небольшим. Однако преимущества также были невелики, и, по всей вероятности, именно по этой причине проект остался не реализованным.

Вынужденное стремление советской авиапромышленности к экономии металла стало причиной появления И-153УД, у которого хвостовую часть фюзеляжа, начиная от 3-й рамы, выполнили в виде деревянного монокока. Подобная конструкция была хорошо освоена промышленностью и применялась в истребителе И-16. Замена металлической фермы, обтянутой полотном, на дерево утяжелила конструкцию на 8,4 кг. Испытания И-153УД проходили с 30 сентября по 5 октября 1940 г., летал П.Е. Логинов. В целом эти испытания прошли успешно, однако воплощения в серию И-153УД не нашел в связи с прекращением серийной постройки базовой модели.

До 1938 г. в ВВС РККА не применялись сбрасываемые подвесные топливные баки (ПТБ), предназначенные для увеличения дальности полета. Участие советской авиации в боевых акциях в Испании и Китае привело к активизации работ в этой области. Поначалу опыты с ПТБ велись на И-15бис. В марте 1939 г. испытали подфюзеляжные цилиндрические баки емкостью 150 л, в апреле – подкрыльевые каплевидные общей емкостью 200 л (под каждым крылом на стандартных бомбодержателях подвешивали 4 пятидесятилитровых бака). Предпочтение отдали второму варианту. При проведении небольших доработок, связанных с установкой дополнительного маслобака емкостью 25 л, дальность полета увеличивалась практически в 2 раза.

Для последующего практического использования выбрали каплевидные дюралюминиевые баки емкостью 100 л, а в дальнейшем рекомендовалось перейти на баки из фибры. Они производились под обозначением ПЛБГ-100. До конца 1939 г. для установки подвесных баков оборудовали 50 И-153 (столько же И-15бис), некоторое количество таких истребителей построили и в 1940 г. Впоследствии самолеты с подвесными баками поступали в основном в полки истребительной авиации ВМФ.

И-153ТК войсковой серии

Турбокомпрессор ТК-1

Приборная доска И-153ТК. Справа – летчик у И-153 с одним верхним пулеметом БС

Как только появились крупнокалиберные пулеметы с удовлетворительными характеристиками, ими немедленно была вооружена «Чайка». Первый И-153 № 6021 с двумя пулеметами ТКБ-150 калибром 12,7 мм (вместо двух верхних ШКАСов) проходил полигонные испытания в августе 1939 г. Каждый пулемет имел боезапас 165 патронов, для перезарядки на самолете использовался дополнительный баллон со сжатым воздухом. Чуть позже появился вариант с установкой одного синхронного крупнокалиберного пулемета и двух ШКАС. Оружие испытали на И-153 № 6506 в феврале-марте 1940 г., в таком виде самолет рекомендовали к запуску в серийное производство.

Отчасти объяснить установку одного крупнокалиберного пулемета вместо двух (аналогичная история с И-16 тип 29) можно тем, что в 1940 г. крупносерийное производство пулеметов ТКБ- 150 конструкции Березина еще не началось, и на все самолеты их попросту не хватало. Чуть позже эти пулеметы в синхронном варианте получили обозначение БС (Березин, Синхронный) и нашли широкое применение в советских ВВС. Осенью 1940 г. на полигоне под Кубинкой три И-153 (№ 8527, № 8528, № 8545), вооруженные пулеметами Березина, прошли войсковые испытания и были рекомендованы к запуску в производство. До конца года авиазавод № 1 выпустил полторы сотни «Чаек» с таким вооружением.

Не менее заманчивой представлялась установка на «Чайку» скорострельных авиационных пушек ШВАК калибром 20 мм, которые вполне успешно опробовали в боевых условиях на И-16. Снаряд этой пушки превосходил пулю крупнокалиберного пулемета по массе в два раза (48 и 96 г соответственно), а разрушающая способность оценивалась выше в несколько раз. Однако если на И-16 пушки были установлены вне диска вращения воздушного винта, то на И-153 их решили разместить в синхронном варианте со стрельбой через диск винта. Такая работа проводилась в СССР впервые, поэтому возникли сомнения в успехе.