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.
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.
