Во второй половине лета на Халхин-Голе появились первые И-16 с двигателями М-62, позже получившие известность как И-16 тип 18. Конструкция самолета допускала замену двигателей М-25 на М-62 практически без доработок, так как диаметр нового мотора был всего на 10 мм больше, чем у предшественника, а узлы крепления к мотораме вообще остались без изменений. Мотор М-62 имел большую, чем М-25 мощность и лучшие характеристики на малых высотах.
Когда на фронте появились оснащенные двигателями М-62 истребители И-153 «Чайка», техники предложили поставить такие же моторы на И-16. Командование ВВС отреагировало быстро: в одном из подмосковных полков переоснащение прошли три истребителя. Такие же работы начались на заводе № 21.
Примерно 134 ранее выпущенных И-16, переоборудованных двигателями М-62, было доставлено в Монголию. Следующим шагом стала установка на истребитель И-16 еще более мощного двигателя М-63. В заключительных боях над Халхин-Голом успели принять участие истребители И-16 тип 18 и тип 24 постройки завода № 21. Часть самолетов была оснащена двигателями М-62, часть — М-63, некоторые имели вооружение из четырех пулеметов. Часть машин комплектовалось воздушными винтами изменяемого шага.
Еще до окончания конфликта в Монголии, несколько истребительных подразделений перебросили с Халхин-Гола в Белоруссию, поближе к польской границе. 17 сентября Красная Армия выступила в освободительный поход, целью которого являлась присоединение к СССР западных районов Украины и Белоруссии. Польская армия оказала лишь символическое сопротивление. Летчики И-16, как не старались, не сумели одержать ни одной победы в воздушных боях — воздушных боев как-то не случилось. В красный день календаря 7 ноября 1939 г. над Красной площадью прошли две пятерки И-16 во главе с летчиками-асами Кравченко и Лакеевым. Маленький истребитель находился на пике своей популярности. Зимняя война с Финляндией притушила славу самолета И-16 в частности и ореол непобедимости Красной Армии в целом.
Очень суровая зима 1939-40 г.г. сильно осложняла работу летчиков, находившихся в открытых кабинах. Пилоты рассказывали, что в отдельных случаях они летали на пределе человеческих возможностей. Ручной привод уборки шасси и летом доставлял массу неудобств и требовал недюжинных физических усилий, что уж говорить о зиме…Нередко опоры шасси зависали в промежуточном положении — у пилотов просто не хватало сил докрутить штурвальчик, к тому же трос часто смерзался. В период Зимней войны на истребителях И-16 впервые массово использовались одноразовые дополнительные топливные баки. Баки проходили испытания в марте-апреле 1939 г., их первые образцы емкостью 100 л подвешивались под фюзеляжем и имели цилиндрическую форму. Результаты испытаний оказались неудовлетворительными: неудачная форма и место крепления сильно сдвигали назад центровку самолета и без того обладавшего ограниченным запасом устойчивости по тангажу. Положение исправилось после изготовления подкрыльевых баков, схожих с дополнительными баками японского истребителя «тип 97». Такие баки испытывались в июне-июле 1939 г. на И-16 с заводским номером 1021681. Эффект на сей раз был сугубо положительным. Самолет даже получил обозначение «тип 20» и был рекомендован для использования в качестве истребителя сопровождения. С подвешенными баками емкостью по 93 л истребитель сохранял возможность пикировать с углами 60 град., крутить виражи с креном до 80 град., но максимальная скорость снизилась на 21 км/ч.
До конца 1939 г. завод № 21 изготовил примерно 80 истребителей И-16, которые можно было оснастить дополнительными топливными баками. Начиная с января 1940 г. в строевых частях ВВС развернулась работа по доработке под монтаж дополнительных топливных баков на весь парк самолетов И-16. Каждый новый вышедший с завода истребитель комплектовался шестью одноразовыми дополнительными топливными баками. До 1 апреля 1940 г. промышленность передала ВВС порядка 1000 одноразовых баков.
Начиная с 1938 г. широким фронтом велись работы по созданию протектированных топливных баков. Наилучшие результаты давало покрытие из вулканизированной резины толщиной 2,5 мм в комбинации с 2,5-мм слоем обычной резины. В 1939 г. истребители И-16 получили протектированные топливные баки.
После того как эффективность реактивных снарядов РС-82 была проверена в бою, начались работы по внедрению пусковых установок PC на серийные истребители. До конца 1939 г. завод сдал 31 самолет, оснащенный пусковыми установками реактивного оружия.
В течение четвертого квартала 1939 г. завод № 21 перешел на выпуск истребителей И-16 с двигателями М-62 и М-63. Пулеметные машины тип 10 сменили самолеты И-16 тип 18 и тип 24, пушечные тип 17 — самолеты И-16 тип 27 и тип 28.
Производство истребителей И-16 заводом № 21 в 1939 г.:
Модиф. Двиг-ль Кол-во построенных
Тип 10 М-25В 426
Тип 18 M-62 177
Тип 24 М-63 155
Тип 17 М-25В 314
Тип 27 М-62 59
Тип 28 М-63 18
Тип 15 М-25 424
Всего 1571
Самолет И-16 являлся самым массовым истребителем ВВС РККА, поэтому неудивительно, что он послужил предметом многочисленных модификаций и доработок, особенно в отношении вооружения. Наиболее удачными являлись конверсии самолетов тип 6 и тип 12. Наступательные возможности усилили за счет бомб. С 10 февраля по 3 марта 1937 г. в НИИ ВВС проходил испытания истребитель, способные нести на внешней подвеске до 280 кг бомб. На четырех бомбодержателях ДЕР-32 подвешивались 10-кг бомбы АО-10, на двух ДЕР-3 — бомбы ФАБ-100. Данный вариант вооружения, однако, в серийное производство не передавался.
В конце 1937 г. под руководством Боровкова в Горьком был разработан штурмовой вариант самолета. Прототип И-16 тип 9 (заводской номер 92111) совершил первый полет 27 декабря, в серию он также не передавался. В центроплане монтировалось шесть пулеметов ШКАС, которые могли отклонятся в вертикальной плоскости на угол до -9 град. Шасси — неубираемое, стойки заключены в обтекатели. Неубираемое шасси, к неожиданной радости летчиков улучшило устойчивость самолета. Устранение ниш для колес позволило смонтировать в нижней части фюзеляжа держатели для шести 25-кг бомб.
Истребитель И-16 был вооружен гордостью советской промышленности — пулеметами ШКАС скорострельностью 1800 выстрелов в минуту, однако оружейники не почивали на лаврах. В 1937 г. создатели ШКАСа Шпитальный и Комарицкий предложили ультраШКАС скорострельностью 2400 выстрелов в минуту. Раньше чем начались испытательные стрельбы ультраШКАСа, два инженера, Савин и Норов, представили в 1935 г. на испытания еще один авиационный пулемет СН скорострельностью 2800–3000 выстрелов в минуту. В 1936 г. пулемет успешно прошел стрельбовые испытания, а в 1937 г. был рекомендован к серийному производству. Пулеметами СН немедленно вооружили истребители И-16; И-16 с пулеметами СН получили обозначение тип 19, несмотря на то, что кроме вооружения самолет ничем не отличался от И-16 тип 10. Пулеметами СН заменили крыльевые ШКАСы, синхронные пулеметы остались прежними — ШКАСы. В начале 1939 г. завод № 21 изготовил три И-16 тип 19 (заводские номера 1921111, 19212 и 19213). С 17 по 26 марта самолеты испытывал заводской летчик-испытатель Томас Сузи. По результатам испытаний было рекомендовано построить партию таких самолетов. Но массовое производство посчитали нецелесообразным. Под обозначением И-16СН истребители передали в ВВС. Весной 1939 г. на вооружение ВВС РККА был принят авиационный пулемет ультраШКАС. Истребители, вооруженные ультраШКАСАми и СН, приняли участие в войне с Финляндией зимой 1939–1940 г.г.
Изучалась возможность установке на истребитель оружия более крупного калибра. Эти работы велись зимой 1938-39 г.г. на заводе № 156 в Москве лично под руководством Николая Николаевича Поликарпова. Главным образом, рассматривались способы монтажа синхронных крупнокалиберных пулеметов над двигателем. Установка более тяжелых пулеметов в носу самолета позволила бы сместить вперед центр тяжести планера, увеличив тем самым запас устойчивости по тангажу, что, в свою очередь, делало самолет более стабильной платформой при стрельбе. В конце 1939 г. началась доработка под крупнокалиберные пулеметы двух истребителей, взятых из авиационной бригады, дислоцировавшейся в Люберцах. На одном самолете (заводской номер 1021332) демонтировали крыльевые ШКАСы. а в носовой части фюзеляжа чуть ниже оси самолета установили два 12,7-мм пулемета конструкции Березина. Размещение пулеметов и ящиков под боекомплект (440 патронов) привело к необходимости уменьшить емкость фюзеляжного топливного бака. Общую емкость баков удалось сохранить на прежнем уровне за счет монтажа крыльевых баков. Самолет получил обозначение И-16СО (Синхронизированный Опытный). Испытания проводились с 23 марта по 9 апреля 1939 г. Вариант с двумя 20-мм пушками ШВАК получил обозначение И-16ПС (Пушечный Синхронизированный), испытания этого самолета проводились параллельно с испытаниями И-16СО. Пушки монтировались на самолете с заводским номером 521570; они были настолько длинными, что казенные части пушек выступали в кабину летчика. Боекомплект — по 175 снарядов на ствол. Внешне И-16СО и И-16ПС были практически идентичны исходным самолетам. Оба истребителя успешно прошли испытания, в ходе которых даже производился отстрел оружия с отключенным стабилизатором. Самолеты доказали способность летать с простреленными лопастями воздушных винтов. С другой стороны, испытания выявили недостатки, главным из которых стало попадание пороховых газов в кабину и в карбюратор двигателя. На самолете в пушечном исполнении этот дефект проявлялся более ярко, поэтому к серийному производству рекомендовали вариант с пулеметами Березина.
