К еще одной модификации И-3 можно отнести двухместный истребитель Д-2 с мотором М-17 или БМВ-VI (другие обозначения: Д2, Д2-М17, ДИ-2). Задание на его проектирование было выдано Авиатрестом в начале 1927 г. и согласовано с НТК ВВС летом того же года. Поликарпов в разработке и этого истребителя старался воплотить идею модульной конструкции. От предшественника Д-2 отличался немного большими размерами, наличием второй кабины с турельной установкой двух пулеметов ПВ-1.
Для повышения летных характеристик предполагалось использовать двигатель БМВ-VIZ и увеличить дальность Д-2 за счет установки центропланного бака.
Еще до постройки истребителя Николай Николаевич начал разработку модификации машины с двигателем воздушного охлаждения «Юпитер» VII мощностью 600 л.с. В 1929 г. проект был готов. Его собирались запустить в производство после завершения испытаний Д-2 с БМВ-VI. Ввиду отсутствия мотора «Юпитер» VII правление Авиатреста предложило Поликарпову поставить на этот самолет двигатель «Юпитер» IV мощностью 420 л.с., а характеристики, получаемые на летных испытаниях, пересчитывать под требуемую мощность.
С октября 1928 г. развернулась постройка первого экземпляра Д-2 с мотором БМВ-VI. По планам, на его основе летом 1930 г. предполагалось выпустить ночной двухместный истребитель НД2-М17, проектированием которого также занималось КБ.
Заводские испытания Д-2 с мотором БМВ-VI начались с апреля 1929 г. Проводил их летчик Б. Л. Бухгольц. В отзывах о самолете, датированных 26 апреля 1929 г., Бухгольц отметил: «…Самолет Д-2 по скорости и скороподъемности не уступает большинству современных одноместных истребителей, так что при наличии более мощного вооружения по сравнению с таковыми тактические качества Д-2 значительно выше одноместных истребителей, благодаря чему этот самолет становится в ряды первоклассных боевых единиц воздушного флота… По своим летным данным самолет является большим достижением нашей авиапромышленности, не только достигая уровня заграничной промышленности, но и превосходя таковую». Из недостатков летчик отметил некоторое неблагополучие при выходе из штопора, что, по его мнению, свидетельствует о возможности перехода самолета в плоский штопор.
Затем Д-2 был возвращен на завод для внесения соответствующих доработок в конструкцию. После отстранения Поликарпова работы по Д-2 на некоторое время были приостановлены. В конце 1929 г. начался второй этап заводских испытаний. После не во всем продуманных переделок центровка машины изменилась, на некоторых режимах появились вибрации хвостового оперения. Увеличение поперечного угла оперения позволило устранить их.
В июле 1930 г. начались испытания в НИИ ВВС. По первым положительным результатам было принято решение о запуске машины в производство и в программу ГАЗ № 1 на 1930 г. было вписано задание на постройку первой серии из 30 Д-2. Однако отзывы о самолете летчика НИИ А. В. Чекарева разительно отличались в худшую сторону от отзывов Б. Л. Бухгольца. Вновь отмечена небольшая вибрация оперения. 4 августа 1930 г., когда над Центральным аэродромом на Д-2 выполнялось пикирование с последующим выходом на горизонтальную площадку, отвалилось оперение и произошла катастрофа. Экипаж погиб. Выдвигались две наиболее вероятные причины катастрофы: 1) нарастающие вибрации хвостового оперения, которые привели к его разрушению; 2) недостаточно прочная конструкция его крепления после переделки для увеличения поперечного угла установки. Еще одной причиной могло быть ослабление затяжки крепежных соединений оперения, что не было проворено на земле при подготовке к полету, привело к люфтам в узлах крепления, а затем к вибрациям оперения и гибели экипажа.
Резолюция временно исполняющего обязанности начальника ВВС Я. И. Алксниса на материалах по расследованию катастрофы была своеобразной и предельно жесткой:
«НТК дать конкретный материал по всем новым самолетам, по коим получились сильные расхождения между заводскими испытаниями и испытаниями в НИИ, с указанием фамилий тех летчиков завода, которые дали неправильные сведения, на предмет привлечения их к заслуженной ответственности».
Вот так. Заводские летчики, лучше знавшие конструкцию самолетов и особенности их пилотирования, объявлялись чуть ли не преступниками. Напомним, что в те годы по стране катилась репрессивная кампания по шумным делам Промпартии специалистов-вредителей и т. д. По резолюции Алксниса пострадали люди, пострадал и Поликарпов, несмотря на то что после отстранения от руководства КБ заводов № 25 и № 39 самолетом Д-2 он не занимался почти год.