Во второй половине 1942 года удалось наладить выпуск дюралюминия, который теперь можно было смело использовать в конструкции самолетов. Поэтому у «Яка» появились крылья с дюралевыми лонжеронами и двумя дюралевыми нервюрами. Размах крыльев уменьшился до 9,2 метров, а поверхность — до 14,85 м².

Фюзеляж, позаимствованный у Як-1, отличался отсутствием воздухозаборника под двигателем. Маслорадиатор состоял из двух цилиндрических узлов, расположенных на центроплане под кабиной пилота. Воздухозаборники для маслорадиатора находились у основания обоих крыльев. Водяной радиатор заменили с ОП-203 на ОП-492. Снаружи это изменение проявлялось более «зализанными» очертаниями обтекателя водяного радиатора.

Кинематика шасси походила на Як-9, хотя крышка колесной ниши осталась трехстворчатой. Благодаря небольшому улучшению — появлению опорного колеса с полуавтоматической блокадой — маневренность самолета на земле резко возросла. Когда штурвал отклонялся вперед, колесико могло свободно вращаться.

Изменениям подверглась и топливная система. Теперь самолет имел три топливных бака: два в крыльях на 120 литров каждый, и один разделительный бак емкостью 30 литров, расположенный в фюзеляже. Этот тридцатилитровый бак был нововведением.

Вооружение осталось прежним: пушка ШВАК и пулемет УБ. Пилота защищала бронеспинка толщиной 8,5 мм и изголовье из бронированного стекла. Лобовое стекло фонаря было монолитным.

Благодаря всем изменениям массу самолета удалось понизить на 280 кг по сравнению с машиной 04-111 и составила 2655 кг. Основной вклад (150 кг) дало внедрение металлических деталей каркаса.

Прототип, законченный 15 февраля 1943 года, первоначально оснащался мотором М-106, однако после нескольких полетов мотор заменили на М-105ПФ. По данным известного советского автора в области авиации К. Косминкова, новый двигатель поставили на самолет уже в марте.

Заводские испытания продолжались с 28 февраля 1943 года до 7 июня того же года, что говорит об их напряженности. Испытания в НИИ ВВС проходили между 7 июня и 4 июля 1943 года. Еще два дня (21 и 22 июля) заняли государственные испытания с акцентом на новый двигатель.

Новый двигатель не представлял собой чего-либо принципиально нового. Это был все тот же М-105ПФ, но давление в цилиндрах в очередной раз повысили, на этот раз со 1050 до 1100 мм рт. ст. В результате мощность двигателя увеличилась с 1180 л.с. на 2700 м до 1240 л.с. на 2100 м. Поскольку двигатель работал на низкооктановом бензине АБ-78, Климов согласился форсировать двигатель лишь на первой скорости наддува. На второй скорости давление оставалось прежним. На практике рост мощности двигателя обернулся увеличением средней скорости на 6–7 км/ч, набора высоты 5000 метров на 0,1 сек, а в боевом заходе самолет набирал дополнительные 50 метров.

Новый самолет получил признание пилотов за легкость пилотирования, сравнимую со «Spitfire V», хорошие летные качества и приличную маневренность. Недостатки самолета остались наследственными — недостаточно эффективная система охлаждения; забрызгивание фонаря маслом и отсутствие радиостанции. Отдельные машины радиостанцию получили, но она отличалась высоким уровнем шума. Чтобы дать самолетам больше шансов попасть на вооружение, в августе 1943 года прототип отправили в ЦАГИ для обдува в аэродинамической трубе. Результаты испытания оказались обнадеживающими, но требующими радикально изменить конструкцию самолета. Поэтому от многих идей по улучшению машины пришлось отказаться. Тем не менее, прототип имел значительные конструктивные особенности. Под двигателем снова появился воздухозаборник, а в хвостовой части фюзеляжа полотняную обшивку заменили фанерой.

Як-1М

Як-3

Боевые качества самолета Як-3 делали его грозной машиной. Советские пилоты любили его за отличные летные характеристики ни низких высотах. Отсутствие воздухозаборника на носу самолета несколько изменило силуэт машины.

Як-3, сбитый огнем немецкой зенитной артиллерии в районе Варшавы, январь 1945 года. Фонарь кабины разбит. Пропеллер погнут во время посадки на брюхо. Тактический номер «03» и кант фюзеляжной звезды желтый, звезда на хвостовом оперении имеет белый кант. Обтекатель втулки красный.

Этот самолет далеко ушел от первого прототипа и представлял собой, по сути, Як-3. Поэтому его следует описать подробнее.

Матерчатую обшивку фюзеляжа заменили фанерой толщиной 2 мм, фонарь кабины получил систему аварийного сброса, стойки главного шасси стали меньшего диаметра, что, как выяснилось позже, оказалось неудачным решением.

Для лучшей защиты пилота бронеспинка получила выгнутые боковины. Вдоль левого борта кабины поместили бронеплиту толщиной 3,5–4 мм, которая прикрывала руку пилота, лежащую на ручке газа. Голову летчика закрывало изголовье кресла и бронестекло фонаря.

Емкость топливных баков увеличили. Теперь самолет брал 265 л топлива вместо 240. Одновременно емкость разделительного бака уменьшили до 10 л. Баки были самогерметизирующимися: снаружи и изнутри их выстилал слой резины толщиной 2 мм, кроме того, внутри бак выстилался слоем аназотовой губки толщиной 5,5 мм. У первого прототипа защита баков в крыльях была слабее, а разделительный бак вовсе оставался незащищенным.

Самолет оснастили приспособлениями, облегчающими работу пилота. В числе прочих можно назвать автомат регулировки температуры воды АРТ-41, который избавил летчика от необходимости постоянно следить за указателем температуры. Эргономичное расположение рукоятки газа и регулятора шага винта также упростило управление самолетом.

Наконец была решена проблема с перегревом мотора. Благодаря новым маслорадиатору ОП-555 и водяному радиатору ОП-554 (заслонка теперь была опущена до 385 мм вместо прежних 270 мм) самолет получил возможность неограниченно долго лететь с максимальной скоростью.

Пушку ШВАК заменили более легкой ША-20М с боекомплектом 110 выстрелов, а один УБ заменили двумя УБС (150 выстрелов на ствол). Примитивный прицел заменили колиматорным ПБП-1а.

Снаружи второй прототип отличался отсутствием выступающего за пределы обтекателя втулки фиксатора для подключения внешнего стартера. Отсутствовала антенная мачта. Радиостанция РСИ-4 благодаря новой двух-лучевой антенне и тщательной экранизации стала работать гораздо стабильнее. Кнопку включения радиостанции разместили на рукоятке газа. Это необычайно простое решение также заметно упростило работу пилота.