Пушечный И-16 должен был развивать скорость 435 км/ч, набирать высоту 5000 метров за 7,5 минут и иметь потолок в 8500 метров. Однако его освоение протекало исключительно болезненно и напряженно. Причиной тому стали большое число изменений, вносимых в конструкцию уже в ходе серийного производства без предварительной увязки их в опытном производстве, недоработанность самих этих нововведений в конструкторском отношении, большой процент брака, слабая организация производства, особенно на мелких участках, дефекты технической документации и инструмента, а также трудности в изготовлении последнего и т. п. Имели место постоянные перебои в поставках моторов, шасси, лыж, дюралюминия, авиаполотна и других материалов.

Кризисное состояние производства послужило поводом для выдвижения против директоров авиазаводов и работников НКАП обвинений во вредительстве и последующих репрессий. Но это лишь способствовало дальнейшей дезорганизации производства. В итоге выпуск штурмового варианта И-16 в 1938 г. был сорван. Так, авиазавод № 21 вместо двухсот положенных по плану самолетов И-16 Тип 17 выпустил всего 27 машин.

Также не удалось добиться приемлемой прочности конструкции, необходимой для пикирования при больших углах. При перегрузках часто деформировалась и срывалась обшивка, а иногда и вовсе отлетали плоскости. Так, 16 августа 1939 г. в Пермской области летчик М. Загуляев выполнял полет на И-16. Согласно заданию, самолет достиг высоты 6000 метров, после чего перешел в пикирование. На высоте 2000 метров он потерял управление и стал беспорядочно падать. При этом у истребителя начали отваливаться крылья, детали и части фюзеляжа. Обломки, в том числе и все еще работавший мотор, рухнули на землю поблизости от деревни Козубаево в радиусе 1300 метров. Пилот погиб. Причиной аварии была объявлена недостаточная прочность конструкции самолета.

В результате мучительных конструкторских работ и переделок в 1939 г. появилась новая модификация – И-16 Тип 24, по сути, представлявшая собой истребитель-бомбардировщик. При полетном весе в 1882 кг и максимальной скорости по техническому паспорту в 470 км/ч самолет был вооружен двумя пулеметами ШКАС и двумя синхронизированными 20-мм пушками ШВАК. Также на него могли быть подвешены шесть 82-мм неуправляемых ракетных снарядов (НУРС) или две 250-кг бомбы.

4 августа 1935 г. Совет Труда и Обороны СССР постановил переделать в штурмовик неудавшийся двухместный истребитель-биплан Ди-6. Предполагалось, что машина будет развивать максимальную скорость в 400 км/ч, иметь радиус действия в 500 км и будет вооружена шестью пулеметами ШКАС и бомбами.

Авиазавод № 39 в короткий срок изготовил новую машину. И уже 31 октября – 19 ноября того же года прошли полигонные испытания штурмовика, получившего название Ди-6Ш. Он был оснащен двигателем М-25 и убирающимся шасси. Броневые листы защищали спинку и чашку сиденья летчика. Вооружение биплана, вопреки первоначальному проекту, состояло из двух синхронных пулеметов ПВ-1 и четырех пулеметов ПВ-1, установленных под нижним крылом. Под фюзеляж можно было подвесить до 80-кг бомб либо два выливных авиационных прибора ВАП-6 для разбрызгивания отравляющих веществ и горючей жидкости. Задний стрелок имел в своем распоряжении 7,6-мм пулемет ШКАС с боекомплектом на 750 выстрелов.

Штурмовой вариант самолета Р-5. На нижней плоскости видны установленные пулеметы

Штурмовик Ди-6Ш во время проведения испытаний

Испытания Ди-6Ш показали, что при полетном весе в 2115 кг он развивал максимальную скорость 358 км/ч и поднимался на 5000 метров за 17,5 минут. В восьми полетах над полигоном испытывалось стрелковое вооружение, в трех – бомбовое и в двух – химическое. При стрельбе из пулеметов с высоты 10–15 метров пятая часть пуль попадала в цель размером 20 х 100 метров, имитировавшую роту солдат на марше. Крыльевые пулеметные батареи работали нормально. Однако палить из них с высоты выше 17 метров уже было невозможно из-за плохого обзора. Был отмечен и ряд других недостатков. Так, управление штурмовиком, особенно у земли на больших скоростях, было сложным и утомительным, он сильно задирал нос, что не позволяло производить прицельное бомбометание.

Несмотря на это, Ди-6Ш был отправлен в серийное производство, которое было полностью провалено Московским авиазаводом № 1. До конца 1936 г. там удалось выпустить всего 36 штурмовиков, да и те ужасного качества. Кроме того, военные специалисты признали Ди-6Ш бесперспективным из-за слишком малой бомбовой нагрузки, а штурмовка с одними пулеметами уже тогда считалась малоэффективным занятием.

Несмотря на полный провал в создании специализированного штурмовика, в ВВС РККА к ноябрю 1938 г. сформировали уже двенадцать штурмовых авиационных полков (ШАП). В них насчитывался 561 самолет, в том числе 456 Р-5 разных модификаций, 60 Ди-6Ш, 31 Р-6 и 14 СБ. Летчиков же в них имелось больше чем самолетов – 776 человек. Однако по сути это все были штурмовые полки без самих штурмовиков.

Еще в 1933 г. КБ Поликарпова, попутно с И-16, разработало новый истребитель – биплан И-15. По схеме и конструкции это было продолжение неудачного И-5, но с улучшенной аэродинамикой и более мощным мотором воздушного охлаждения М-25. Характерной особенностью самолета стала своеобразная форма верхнего крыла по схеме «чайка», способствовавшая уменьшению сопротивления воздуха и лучшему обзору из кабины.

Летные испытания И-15 прошли в декабре 1933 г. Истребитель достиг максимальной скорости 370 км/ч и набрал высоту 9000 метров. На следующий год началось его массовое производство. Позднее появилась модификация И-15бис, на которой было установлено прямое верхнее крыло, усилена конструкция центроплана и установлены бомбодержатели.

В 1938 г. КБ Поликарпова еще раз модернизировало свой биплан, установив на нем убираемые вручную шасси. Так, появился И-153 «Чайка». Поскольку как истребитель он уже устарел, то самолет, по уже сложившемуся обычаю, решили переделать в штурмовик. Первой ударной модификацией стал И-153БС, на котором установили четыре крупнокалиберных пулемета УБС и направляющие для восьми реактивных снарядов РС-82. Однако на испытаниях, проведенных в НИИ ВВС, выявилась плохая надежность 12,7-мм пулеметов, дававших частые отказы. Тогда от них решили отказаться в пользу двух 20-мм пушек ШВАК, которые, впрочем, тоже не отличались высокой эффективностью. В итоге появился И-153П, ставший чистым штурмовиком. Он был вооружен двумя пушками, мог поднимать 100-кг бомб или шесть «эрэсов». Остававшиеся в частях И-15бис к концу 30-х годов также были переделаны в штурмовики.