Работы по усилению вооружения начались сразу после внедрения И-153 в серийное производство. Крупнокалиберные пулеметы удобней всего было устанавливать у стыка лонжеронов центроплана «чайка» со шпангоутами (рамами) фюзеляжа, что обеспечивало необходимую прочность и жесткость крепления вооружения. При этом центровка самолета практически не менялась. Указанное обстоятельство предопределило развитие работ в этом направлении.
В начале 1939 г. на испытания вышел самолет И-153 с М-25В, в котором два верхних пулемета ШКАС были заменены синхронными крупнокалиберными пулеметами ШВАК (12,7 мм). Испытания не дали положительных результатов из-за недоведенности механизма синхронизации пулеметов ШВАК.
С марта 1939 г. на И-153 с М-62 устанавливали крупнокалиберные пулеметы Селищева, Таубина. Испытания выявили дефекты конструкции этих пулеметов.
Более успешным оказалось применение на И-153 синхронных пулеметов Березина БС. Установка из двух БС прошла испытание в 1939 г. и была рекомендована к серийному производству. Завод № 1 в 1940 г. выпускал небольшие войсковые серии И-153 с двумя БС (6 экземпляров), с двумя БС и двумя ШКАС (2 экз.), с четырьмя БС (4 экз.). Однако основным считался вариант с одним БС и двумя ШКАС (И-153УЕ), взлетный вес которого достигал 2170 к г. Все эти варианты обозначались однотипно как И-153БС. Согласно заданию, в 1940 г. завод № 1 должен был сдать заказчику 250 экземпляров И-153УЕ (И-153БС). Начальник ГУАС КА комдив Алексеев неоднократно обращался в Наркомат авиационной промышленности с предложением выпустить эти самолеты не с одним, а с двумя БС, однако его письма были оставлены без внимания.
Упорная работа над конструкцией синхронизаторов к крупнокалиберным пулеметам (пушкам) ШВАК принесла свои плоды. Их конструкцию удалось отработать до надлежащей степени надежности. Проходившие в мае-июне государственные, а с 8 августа по 17 ноября 1940 г. — войсковые испытания 20 мм синхронных пушек ШВАК на самолетах И-153 (И-153 с мотором М-63 и двумя пушками ШВАК обозначались как И-153П, иногда И-153ПС) показали вполне удовлетворительные результаты. В итоговом документе говорилось:
«Самолеты испытания выдержали и могут быть приняты на вооружение ВВС КА».
26 ноября 1940 г. Н. Н. Поликарпов направил письмо народному комиссару авиационной промышленности А. И. Шахурину:
«Докладываю, что войсковые испытания самолетов И-153 (Чайка) с синхронными пушками ШВАК калибром 20 мм закончены 17 ноября 1940 г. Результаты испытаний признаны Комиссией ВВС вполне удовлетворительными и показали, что самолет И-153 с синхронными пушками является актуальным штурмовиком для борьбы с танками и наземными целями.
Ввиду этого прошу Вашего распоряжения о серийном выпуске указанных самолетов».
Такое распоряжение было сделано, и И-153П строился серийно в 1940–1941 гг., участвовал в Великой Отечественной войне.
Да, к началу 1940 г. как истребитель И-153 уже устарел, поэтому некоторые руководители ВВС и сам Н. Н. Поликарпов рассматривали И-153П в первую очередь в качестве штурмовика, предназначенного для атак наземных целей. Впрочем, Николай Николаевич в 1940 г. разработал и специальные штурмовые модификации И-153 с моторами М-62 и М-63 (И-153Ш, И-153ШВ). От стандартных И-153 они отличались подвешиваемыми под нижнее крыло стрелковыми батареями и кассетницами.
Осенью 1939 г. завершились испытания истребителя И-153 с ракетным оружием (6 РС-82). Самолет был внедрен в серийное производство.
Перечисленными самолетами не исчерпывается список модификаций И-153. Были разработаны машины со сбрасываемыми подвесными баками, с фибровыми баками, со щитками-закрылками на нижнем крыле. В 1940 г. на И-153 № 8568 с мотором М-63 испытывался опытный электромеханический винт В.Э.М. завода № 28 НКАП («германского типа»).
Много сил и энергии Н. Н. Поликарпов уделял установке на И-153 новых двигателей.
С сентября 1940 г. испытывался И-153ДМ, оснащенный двумя дополнительными прямоточными реактивными двигателями ДМ-4 конструкции И. А. Меркулова. Они имели практическую ценность разве чтодля отработки двигателей, так как из-за увеличения лобового сопротивления скорость истребителя падала на 40 км/ч. И хотя за счет тяги, создаваемой двумя ДМ-4 при их включении, скорость возрастала на 51 км/ч, достигая 440 км/ч на высоте 2000 м, общий выигрыш от использования ДМ-4 был незначительным.
После завершения стендовых испытаний новых однорядных моторов А. Д. Швецова М-64 (взлетная мощность 1200 л.с.) и М-65 (1300 л.с.) началось проектирование модификации И-153 с М-65. Самолет № 6866 был построен в конце 1939 г. 4 января 1940 г. Н. Н. Поликарпов утвердил программу его заводских испытаний с винтом АВ-10 диаметром 2,7 м. В примечании указано, что часть испытаний будет производиться с 3-лопастным винтом АВ-2. Наземные испытания, проходившие в феврале 1940 г., показали необходимость изменения системы охлаждения двигателя.
3 марта 1940 г. Н. Н. Поликарпов подписал дополнительную программу испытаний И-153 № 6866 с М-65 после переделок системы охлаждения винтомоторной группы. Первый полет с двухлопастным винтом АВ-4Д был выполнен 21 марта 1940 г. 23 марта 1940 г. винт заменили на 3-лопастный АВ-1Д. Утром 24 марта 1940 г. произошла катастрофа из-за потери сознания летчиком на высоте 9000 м. Самолет был разрушен. При расследовании выяснилось, что летчик Сапоцько Никита Аркадьевич (образование три класса, в 1931 г. окончил школу ВВС РККА) перед полетом пил до 1 часа ночи. На этом все работы по И-153 с М-65 прекратились. Мощность мотора была уже недостаточной, а возможности развития однорядных двигателей воздушного охлаждения исчерпанными. А. Д. Швецов еще ранее описываемых событий перешел на проектирование двухрядных моторов воздушного охлаждения.
Необходимо отметить, что проекты ряда модификаций И-153, выполненные в специальном КБ завода № 1, имели собственную систему обозначения новых разработок от И-153 до И-171. Из созданных в этой группе модификаций в документах упомянуты И-153 без расчалок с улучшенной аэродинамикой (так называемый И-153 безрасчалочный или И-153Б), И-154 с М-63, И-157. Более подробных сведений об этих проектах от И-154 по И-16 8 не сохранилось, так как документация КБ завода № 1 была уничтожена при его эвакуации в г. Куйбышев в годы Великой Отечественной войны. Отметим только, что И-16 9 представлял собой уже существенно измененную конструкцию — «чайку» с новым серийным мотором жидкостного охлаждения М-105. Более перспективным сочли вариант с М-106. 29 сентября 1939 г.
Н. Н. Поликарпов издал распоряжение № 251 по ОКБ завода № 1 НКАП:
«1. Инженер Карев назначается ведущим инженером по самолету И-170 от КБ и цеха fiF- 28.
2. Самолету И-170 присваивается шифр самолет «М».
29 октября 1939 г. им были подписаны чертежи самолета И-170. Предполагалось, что самолет будет иметь безрасчалочную коробку крыльев и следующие характеристики: площадь крыла — 25 кв. м, длина — 7,1 м, размах верхнего крыла — 10 м, нижнего — 8 м.
Вооружение должно состоять из одной пушки, стреляющей через вал редуктора, 2–4 синхронных пулеметов.
