Агрегаты самолета построил в январе-марте 1945 г. завод № 153 в Новосибирске, где массово строился Як-9 и был филиал ОКБ Яковлева. В апреле сборку завершил завод № 115, и 12 мая Федрови начал летные испытания истребителя, названного Як-3У. Ведущим инженером был назначен A.M. Дружинин. Летные данные были хороши, особенно скороподъемность и набор высоты за боевой разворот, которые были на уровне лучшего варианта Як-3 ВК-107А. Но противокапотажный угол, слабое место всех Як-3. был еще меньше, чем у серийного самолета, и посадка даже без резкого торможения требовала повышенного внимания, усложнился и взлет. После 19 полетов общей продолжительностью 8 ч 40 мин самолет 9 июня вернули на доработку. На нем увеличили вынос шасси, уплотнили стыки капота, повысили эффективность триммера руля высоты, а также поставили новое цельнометаллическое крыло, полностью изжив из конструкции дерево и полотно. Но война кончилась, а для новых условий лучше подходил цельнометаллический истребитель Ла-9 с мощным вооружением, современным оборудованием и перспективой увеличения дальности полета. Преимущество Як-3У в летных данных сочли недостаточно существенным основанием для запуска в серию еще одного истребителя с мотором АШ-82ФН. Но опыт его создания был использован в ходе проектирования самолета первоначального обучения Як-11 с легким звездообразным мотором AШ-21, который стал «летающей партой» для многих курсантов послевоенной поры в СССР и за рубежом
Летчик Семен Роговой на крыле своего именного Як-3, подаренного моряками Амурской военной флотилии
Техник осматривает кабину Як-3. Перед козырьком фонаря установлен ФКП
К середине Второй мировой войны дальнейшее наращивание скорости, скороподъемности, маневренности, дальности, мощи вооружения и установка нового целевого оборудования на поршневые истребители еще были возможны, но какова будет плата за все это, конструкторы не знали, потому смело брались за использование все более мощных моторов.
В 1944 г КБ-26 В.Я. Климова завершило испытания нового двигателя ВК-108. Он сохранил блоки цилиндров ВК-107А, но был еще более теплонапряженным (система охлаждения рассчитывалась на температуру воды +110° С). Новый 2-скоростной нагнетатель Поликовского с регулируемыми лопатками обеспечивал стабильное давление наддува 1175 мм рт.ст. до высоты 4500 м, тогда как у ВК-107А этот параметр был только 1060 мм рт.ст. Это позволило довести взлетную мощность до 1850 л.с., боевая при таком же наддуве у земли составляла 1600 л.с., на I границе высотности 1500 м – 1650 л.с., а на II границе 4500 м – 1500 л.с.
Такой мотор с новым винтом ВИШ-107ЛТ-5 поставили на усиленный цельнометаллический планер Як-3. построенный опытным заводом № 115 в сентябре-октябре 1944 г. В связи с установкой нового мощного мотора с четырьмя рядами выхлопных патрубков, пришлось переделать капот и мотораму. Запас топлива был уменьшен на 40 кг, но масла пришлось брать больше. Были увеличены радиаторы. Все вооружение составляла мотор-пушка НС-23 с 60-ю снарядами. Заднее бронестекло сменила высокая бронеспинка с заголовником по типу старого Як-1: она компенсировала сдвиг центровки и служила противокапотажной рамой.
Заводские испытания начались 7 октября 1944 г., но из-за дефектов мотора первый полет летчику В.Л. Расторгуеву удалось выполнить только 18 декабря. ВК-108 механики ЛИС ОКБ Яковлева, специалисты завода № 26 и ЛИИ «вылизали» как только могли, и он работал пока без нареканий В четвертом полете Расторгуев на высоте 6000 м разогнался до 745 км/ч, установив национальный рекорд скорости, но послеполетный осмотр показал, что двигатель на грани выхода из строя, и его сняли. Самолет долго стоял в ожидании нового мотора, но облет 8 марта показал, что поступивший двигатель ненадежен. В пяти полетах самолет налетал всего 1 час 47 мин.
Война закачивалась, было ясно, что вскоре поршневые истребители уступят место реактивным, но Яковлев хотел выжать все из поршневого мотора. Стимулом к этому стали сведения о создании в США облегченных модификаций истребителя Р-51 «Мустанг», а в Англии – самолета Супермарин «Спайтфул», о которых появилась хвалебная статья в журнале Наркомата авиапромышленности «Техника воздушного флота». Самолет XP-51G с мотором мощностью 1910 л.с. имел нормальный взлетный вес всего 3296 кг, разгонялся на высоте 6325 м до скорости 764 км/ч и набирал высоту 6096 м всего за 3,4 мин (правда, без вооружения). Серийный же Р-51Н имел мотор со взлетной мощностью 1380 л.с. и боевой 1900 л.с. на высоте 6096 м, а его нормальный взлетный вес был 4310 кг. Его скорость на границе высотности 7620 м достигала 784 км/ч, а предельная (на пикировании) доходила до 900 км/ч. Конечно, по запасу топлива, вооружению и оборудованию Як-3 было трудно сравнивать с этим типично американским самолетом, но превосходство «Яка» в маневренности оказалось не таким уж большим благодаря новому крылу Р-51Н. Об «англичанине сообщалось, что тот в горизонтальном полете разгонялся до 765км/ч. Первого августа 1945 г. на заводе № 115 под руководством ведущего инженера Григорьева начали установку ВК-108 на серийный Як-3. В отличие от первого самолета, его вооружение состояло из 2 синхронных пушек Б-20С с боекомплектом по 120 снарядов. Первого ноября самолет был готов, но почему-то его так и не облетали.
Однако история с ВК-108 не закончилась и на этом: 26 февраля 1946 г. вышло Постановление правительства о запуске Як-3 ВК-108 в серию на заводе № 31. 27 марта приказом по Авиапрому № 62с тбилисскому авиазаводу было задано строительство 3 самолетов установочной серии Но работа даже не началась, не помог и очередной строгий приказ № 330с, подписанный министром авиапромышленности 28 мая: первую машину головной серии предписывалось сдать к 1 сентября, а последнюю – к 1 ноября 1946 г. У директора завода № 31 был веский довод – мотор ВК-108 так и не довели до требуемого уровня надежности.
И все же причины неудачи этого варианта Як-3 крылись не только в моторе. Уже при 700 км/ч на его носовой части и центроплане, обдуваемых, кроме набегающего потока, еще воздушным винтом, возникали местные околозвуковые течения, что вело к образованию скачков уплотнения. Обтекание нарушалось, возникала тряска и ухудшалась управляемость. Эти явления еще не были изучены ни в СССР, ни на Западе. Эксплуатационные ограничения по прочности, устойчивости и управляемости в эксплуатационной документации не были четко прописаны, а сами летчики не были приучены к тому, что если «давать РУД до упора», то можно выйти на смертельно опасные режимы полета.
Весной 1944 г. масса разведданных о реактивных самолетах противников и союзников стала «критической», и 22 мая вышло Постановление ГКО № 946сс «О создании истребителей с дополнительными ракетными и воздушно-компрессорными двигателями для достижения скоростей порядка 800 км/ч». Яковлеву поручалось построить модификацию Як-9 с однокамерным жидкостным ракетным двигателем с нерегулируемой тягой РД-1, но тот рассудил по-своему и за основу взял Як-3.
Возле истребителя Як-3 летника Мирошниченко
Жидкостный ракетный двигатель проектировал B.Л. Глушко в КБ завода № 16 «под крышей» НКВД. Этот ЖРД работал на керосине и азотной кислоте и на высоте 2700 м и скорости 732 км/ч давал тягу 270 кгс В начале декабря 1944 г. на 115-й завод прибыл серийный Як-3 ВК-105ПФ-2 N° 18-20. На нем установили ракетный двигатель с его топливной системой, а емкость бензобаков уменьшили, на основной мотор посхавили привод насосов подачи компонентов топлива ЖРД под давлением в 40 атмосфер. Масляный радиатор перенесли под фюзеляж и поставили вместе с водяным, а входной патрубок нагнетателя сделали односторонним. Штатное вооружение заменили на одну мотор-пушку НС-23. Ведущим конструктором перехватчика Як-3РД стал Е.Г. Адлер.