Специальным приказом по заводу № 81 вводилось производство крыльев усиленной конструкции. В 1937 г. были пересмотрены нормы прочности, из-за чего потребовалось пересмотреть результаты статических испытаний 1934 г. и даже провести новые испытания на прочность. Подобные работы отнимали у Поликарпова массу времени и сил. Удивительно когда он успевал еще и работать над новыми проектами. В этот период появились многоцелевой ударный самолет «Иванов», многоместный пушечный истребитель МПИ-1.
Поликарпов не забывал о необходимости проектирования нового истребителя, предназначенного для замены И-16. В 1937 г. Поликарпов получил назначение главным инженером завода № 156. Именно на этом заводе развернулись работы по созданию перспективной машины. В начале 1938 г. проект И-180, носивший на себе отпечаток ЦКБ-25, был в целом готов. Лицензионный выпуск двигателей Гном-Рон налаживался в Запорожье на моторостроительном заводе № 29. Непосредственным развитием французского движка стал мотор М-88 мощностью 1100 л.с. Истребитель с таким мотором мог стать достойным приемником И-16 и мог развивать скорость в 600 км/ч.
Конструктивно И-180 являлся логическим развитием И-16, его освоение в массовом производстве не вызывало особых трудностей. Самолет с нетерпением ждали в войсках, поэтому правительство настоятельно рекомендовало Поликарпову начать серийное производство истребителей еще до конца 1938 г. Рекомендации были сугубо волюнтаристскими, довести и запустить в серию новый самолет — дело весьма фантастичное. Серия ошибок в планировании производства наряду с гибелью на И-180 Чкалова, Сузи и Степанчонка, поставила крест на многообещающем самолете.
Первый полет И-180 состоялся 15 декабря 1938 г. Поднимал его в воздух Валерий Павлович Чкалов. Полет окончился трагической гибелью национального героя. 5 сентября 1939 г. на втором прототипе разбился летчик-испытатель Томас Сузи. 26 мая 1940 перевернулся на посадке и едва не погиб опытнейший летчик-испытатель, герой Китая Степан Супрун. Летчику-испытателю НИИ ВВС Афанасию Прошакову 5 июля того же года пришлось покинуть с парашютом И-180 после попадания в перевернутый штопор.
Такие случаи не могли пройти бесследно — под удар попал сам Н.Н. Поликарпов, а не только самолет И-180. «Короля истребителей» переводили с одного завода на другой, банально подсиживали завистники, не давали ходу проектам — проще говоря «зажимали». В 1939 г. Поликарпов вместе с помощниками приступил к проектированию истребителя под двигатель жидкостного охлаждения АМ-37.
Проект нового высотного истребителя получил шифр И-200(К). Осенью 1939 г. проект находился в завершающей стадии. В октябре Поликарпова в составе делегации советских специалистов направили в Германию для знакомства с авиационной промышленностью. В отсутствие Поликарпова из его КБ выделилась новая организация — ОКО. В ОКО ушли многие специалисты, прихватив с собой проект И-200. Возглавил ОКО молодой представитель ВВС на заводе — некто Артем Микоян, брат сталинского наркома Анастаса Микояна. Правой рукой Микояна младшего стал опытнейший конструктор Михаил Гуревич. Истребитель И-200 получил всемирное признание под маркой МиГ-3.
Из Германии Поликарпов вернулся к разбитому корыту. Ситуация сложилась ужасная, но «король истребителей» руки не опустил.
Поликарпов сумел добиться разрешения продолжать работу с остатками своего КБ на заводе № 51. Фактически такого завода не существовало вообще. Имелся ангар на Ходынке на котором красовалась вывеска «Завод № 51 Наркомата авиационной промышленности». В этом ангаре, не взирая на удары судьбы, под руководством Поликарпова были спроектированы несколько истребителей. Эти машины вполне могли стать венцом творчества одного из самых выдающихся авиационных конструкторов XX века. Но не стали, отнюдь не по вине Поликарпова. В начале 1940 г. Николай Николаевич приступил к проектированию истребителя И-185. по своим характеристикам и вооружению самолет превосходил все другие советские истребители периода Великой Отечественной войны. Он был готов к запуску в серийное производство в 1942 г., но в массовое производство так и не пошел по причинам, далеким от техники.
Параллельно с проектированием новых типов истребителей в Москве, на заводе № 21 в Горьком со второй половины 1936 г. широким фронтом развернулись работы по совершенствованию самолета И-16. Одной из приоритетных задач завода являлась разработка и серийное производство двухместного учебно-тренировочного истребителя. Первую такую машину сделали здесь в 1934 г. на базе биплана И-5; самолет получил заводской номер 6211 — «изделие 6» производства завода № 21 первый экземпляр. Летные испытания с 5 по 8 августа 1934 г. проводил летчик Павлушев. В серийное производства спарку не передавали, так как выпуск истребителей-бипланов И-5 завершался. Конструкторское бюро завода занялось разработкой двухместного варианта И-16.Первый двухместный УТИ-2 (заводской номер 8211) совершил первый полет в мае 1935 г. Оба летчика имели общий фонарь кабины. Всего изготовили два прототипа. В серию пошел несколько измененный вариант УТИ-2 тип 14. Самолет имел неубираемые шасси и две открытые кабины с небольшими прозрачными ветрозащитными козырьками. Дальнейшим развитием стал учебно-тренировочный истребитель с убираемым шасси и двигателем М-26. Модификация получила обозначение УТИ-4 тип 15. Многие самолеты комплектовали моторами М-25 когда последние имелись в наличии.
Еще один вариант учебно-тренировочного истребителя, УТИ-3 зав.№ 111211, проходил испытания в 1935 г. Самолет оснащался двигателем М-58. Машина нравилась Чкалову гораздо больше, чем УТИ-2. Несмотря на хорошие характеристики по сравнению с самолетом И-5, УТИ-3 серийно не строился из-за нежелания увеличивать разнотипность двигателей в истребительных полках и авиационных училищах.
В конце 1935 г. на заводе № 21 был подготовлен проект самолета И-161, вооруженного четырьмя пулеметами ШКАС и четырьмя бомбами массой до 20 кг каждая. Рассматривался также пушечный вариант самолета, которые в серии должен был получить обозначение «тип 12».
В 1936-37 г.г. завод изготовил несколько опытных истребителей, имевших обозначения от И-161 до И-166.
И-163-1
Построен в 1937 г., масса облегченного самолета составляла 1600 кг. Самолет оборудовался посадочными щитками по типу используемых на И-16 тип 5. Среди других отличий от базового варианта: новый механизм уборки шасси, новое хвостовое оперение, наличие радиостанции. С 1 апреля до конца 1937 г. прототип выполнил примерно 1000 полетов. В серийное производство И-161 не передавался, но в развитии семейства самолетов И-16 данная модификация сыграла заметную роль.
И-163-2
Самолет оснащался гидропневматическим механизмом уборки/выпуска шасси и посадочными щитками большей площади. До стадии летных испытаний доведен не был.
И-164-1
Известен также как И-16с, «с» — сопровождения. Это была первая модификация истребителя И-16 с двигателем М-25В и возможностью подвески под плоскостями крыла по одному дополнительному топливному баку. Из-за низкого качества изготовления самолет несколько раз переделывали. Испытания удалось завершить только в 1938 г., летал Томас Сузи. Имея запас топлива 500 кг, истребитель мог пролететь 2000 км.
И-165 (И-16бис)
Как на И-164-1. на И-165 была предусмотрена подвеска под крылом дополнительных топливных баков. Самолет отличался измененной формой фюзеляжа и наличием гидропневматического механизма уборки/выпуска шасси. Было изготовлено два экземпляра, оснащенных двигателями М-62. Плохое качество изготовления прототипов не позволило провести летные испытания в полном объеме. Многие детали делались «на глазок», без чертежей.
И-166
Облегченный до 1383 кг вариант истребителя И-16 с двигателем М-25В. Разработан с учетом опыта боев в Испании. Главное отличие — капот НАСА с «юбкой». Прототип испытывал Томас Сузи. Помимо прототипа, массу планера в экспериментальных целях снизили еще на нескольких истребителях.
Несколько И-16 оснастили колесами с дисками из сплава «Электрон» и облегченными пневматиками, а также капотами по типу используемых на самолете И-152 с индивидуальными выхлопными патрубками цилиндров. Доработки позволили облегчить конструкцию на 230 кг, однако ни одно из нововведений не внедрили на серийных машинах, исключая небольшое количество самолетов, предназначенных для пилотажных групп. Взлетная масса облегченных самолетов составляла 1490–1500 кг. Самолеты «Красной пятерки» не имели ряда приборов и вооружения. Эти машины выполняли полный вираж за 12,3 с, в то время как обычный И-16 — за 15 с. Исследования по снижению массы истребителя завершились в конце 1937 г.
