И вот в марте 1934 года руководство авиазавода № 21 было проинформировано о том, что вскоре ему предстоит разворачивать выпуск нового истребителя. В приказе наркома тяжелой промышленности Г.К. Орджоникидзе от 23 марта говорилось: «Решением правительства на завод № 21 во второй половине 1934 года возложена важнейшая задача – перестроить производственную деятельность завода, обеспечив массовый выпуск более сложных машин»[ГУ ЦАНО. Ф. 2066. Оп. 9. Д. 44. Л. 37.]. Одновременно с этим нарком решил выделить заводу дополнительное оборудование, а также 10 грузовиков, 4 легковых автомашины и 2 автобуса. Приказом ГУАП авиазаводу № 21, вдогонку к уже имеющемуся И-14, были переданы для освоения сразу три опытных самолета: И-16, И-18 и И-19. Один из них должен был стать основной серийной машиной советских ВВС на 1935–1938 годы. Какой именно истребитель будет запущен в серию, поначалу не было известно. 19 июня завод получил приказ ГУАП как можно скорее перестроить производство и уже в 1934 году выпустить 225 И-16[Там же. Д. 68. Л. 34.]. При этом выпуск истребителя И-14 передавался на Иркутский авиазавод № 125, а И-18 и И-19 были просто признаны бесперспективными.
Для туполевского моноплана И-14 «переезд» в Иркутск был вторым серьезным поражением. Во-первых, авиазавод № 125 был введен в строй только 24 августа 1934 года. Понятно, что, в отличие от «двадцать первого», уже имевшего опыт серийного производства истребителей, там не могли сразу наладить массовый выпуск новой модели. Коллектив предприятия только формировался и не обладал навыками доводки опытных образцов до серийных. Поэтому было ясно, что И-14 поступит в войска еще не скоро. Испытания И-14бис с американским мотором Wright Cyclone R-1820-F3 подтвердили, что по скорости истребитель вполне удовлетворяет предъявленным требованиям и нисколько не уступает И-16.
В то же время вооружение машины было более мощным: два пулемета ШКАС и две пушки АПК-37.
Тем временем в ЦКБ и на авиазаводе № 39 шли авральные работы по доводке механизма уборки шасси. Вскоре на свет появился третий прототип И-16 с уже третьим вариантом мотора – тем самым «циклоном» F-3. Внешний вид самолета также сильно изменился. Вместо гладкого цилиндрического капота на нем был установлен капот тоннельного типа с восемью выхлопными патрубками, близкий к так называемому капоту Уоттера. На пропеллере впервые появился кок-обтекатель[Маслов М. Истребитель И-16. М.: Экспринт, 2005. С. 6.].
7 сентября машину перегнали в Щелково на аэродром НИИ ВВС для повторных государственных испытаний. Полеты продолжались больше месяца до 12 октября. На этот раз была показана максимальная скорость у земли 395 км/ч. Большие нарекания вызывало и вооружение. Пулеметы ШКАС оказались ненадежными, часто происходило заклинивание из-за перекоса ленты. Будучи установленными в крыльях вверх ногами, эти «устройства» быстро расшатывали крепление, в связи с чем при стрельбе имел место огромный разброс, попадания в условную цель носили случайный характер. Оптический прицел ОП-1 также оказался ненадежным и быстро расшатывался. В итоге летчики целились в одну точку, а пули летели совсем не туда. Начальник ВВС РККА Алкснис был откровенно расстроен подобными результатами, написав в заключении: «Самолет не может считаться военной истребительной машиной». Достигнутые скоростные характеристики тоже не устраивали заказчиков.
Согласно выписке из плана опытного самолетостроения ВВС РККА, военные хотели получить «одномоторный истребитель», развивавший на высоте 4 км скорость 450–500 км/ч, поднимавшийся на высоту 5 км за 5,5–6 мин. и имевший практический потолок до 10 км. Вот таким представлялся оптимистам будущий серийный И-16!