Много труда пришлось вложить в разработку рациональной конструкции центроплана крыла типа «чайка». Первоначально ее предполагалось выполнить в виде кривого сварного пустотелого бруса. По предложению А. Г. Тростянекого был использован более легкий ферменный сварной пилон из труб, хорошо сопрягающийся с рамами (шпангоутами) фюзеляжа.
Продувки моделей в аэродинамической трубе еще не были завершены. Для расчета максимальной скорости Николай Николаевич воспользовался их приближенными оценками, полученными год назад при разработке проекта истребителя И-14а; значения скорости — 340 км/ч на высоте 3000 м — получились заниженными.
22 мая 1933 г. была направлена на утверждение помощнику начальника НИИ ВВС докладная записка к эскизному проекту самолета ЦКБ-3, подписанная начальником бригады № 2 Н. Н. Поликарповым и начальником ЦКБ С. В. Ильюшиным.
Несмотря на то что с возможностью установки на И-15 мотора Райт «Циклон» SGR-1820 F-3 согласились, окончательного решения по типу двигателя так и не было принято, по этой причине утверждение эскизного проекта не состоялось. Тем не менее в начале июня 1933 г. был построен макет машины.
Для решения вопроса о постройке самолета 7 июня 1933 г. С. В. Ильюшин направил письмо помощнику начальника ГУАП Алмазову, в котором он отметил, что первоначально планировалось выпустить один экземпляр И-15, так как на заводе имелся только один мотор «Бристоль-Меркур». Ввиду замены этого мотора он просил учесть в планах главка постройку двух экземпляров самолета.
Технический проект был сделан довольно быстро, с июня началось изготовление деталей, узлов, агрегатов машины, а с августа — сборка. Дебаты о типе двигателя среди руководства продолжались.
В начале октября 1933 г. ярко-красный самолет — первенец бригады № 2 — доставили на аэродром. На киле в центре белого круга была изображена звезда, а поверх ее выведены цифры «39» и надпись «ЦКБ-3». Начались наземные испытания и подготовка к первому вылету.
Для получения формального разрешения на проведение испытаний требовался утвержденный эскизный проект. В октябре 1933 г. Николай Николаевич направил в НИИ ВВС третий по счету эскизный проект истребителя. В нем он отразил опыт предшествующих разработок, более детально поясняя концепцию самолета:
Оценки летных характеристик машины были оставлены такими же, как и в предыдущем проекте, т. е. заниженными, несмотря на то что продувки уже были завершены.
Отзыв на проект давал Н. А. Жемчужин, выпускник Военно-воздушной академии им. проф. Н. Е. Жуковского. Итоговый документ гласил:
Заключение было утверждено 23 октября 1933 г. В тот же день В. П. Чкалов совершил на истребителе И-15 (ЦКБ-3) первый полет.
Несмотря на имеющиеся недостатки, удалось выявить главное: получился хороший самолет. Машина показала высокие по тем временам летные характеристики.
19 ноября 1933 г. ВВС запросили дополнительные материалы по самолету, включая реальные оценки максимальных скоростей с различными вариантами мотора Райт «Циклон». По указанию Поликарпова были оперативно выполнены необходимые расчеты под двигатели Райт «Циклон» SGR-1820 различных модификаций, в том числе с исходным F-3 (348 км/ч на высоте 3000 м и 342 км/ч — на 5000 м), высотным F-5 без редуктора и с редуктором (349 км/ч на высоте 3000 м и 356 км/ч — на 5000 м), и результаты исследований были оперативно высланы в НИИ ВВС. Они убедили руководство ВВС в соответствии характеристик ЦКБ-3 техническим требованиям.
Заводские испытания первого экземпляра продолжались недолго.
23 ноября 1933 г. самолет решили продемонстрировать руководителям Вооруженных сил, собравшимся на заседание Пленума Реввоенсовета. Среди них присутствовал и начальник ВВС Я. И. Алкснис. После осмотра машины на земле В. П. Чкалов поднял ЦКБ-3 в воздух. Выполнив каскад фигур высшего пилотажа на высоте 1300 метров, летчик перевел самолет в крутое пикирование (угол пикирования достигал 75»). На скорости свыше 400 км/ч, не выдержав нагрузки, оборвались ушки переднего крепления левой лыжи на мотораме. Чкалов, сразу определив характер повреждения, на высоте 400 м вывел машину из пикирования, круто набрал высоту, закрыл пожарный кран, выработал остаток бензина из системы питания, выключил мотор и пошел на посадку.
После выравнивания самолета у самой земли на скорости 65–75 км/ч машина спарашютировала, завалившись на левое крыло. ЦКБ-3 коснулся земли носком левой лыжи (при этом сломалась полуось шасси), и самолет перевернулся. Машина получила сильные повреждения, летчик остался невредим.
Авария не повлияла на общую положительную оценку самолета, и несмотря на то что государственные испытания еще не были проведены, руководство авиапромышленности приняло решение о развертывании работ по организации серийной постройки И-15 на заводе № 1. В протоколе заседания под председательством начальника Глававиапрома Королева от 25 ноября 1933 г. написано:
«…
Второй экземпляр был выведен на аэродром 16 декабря. Его также испытывал Чкалов. 21 декабря 1933 г. после завершения цикла заводских испытаний ЦКБ-3 был передан в НИИ ВВС. Первый этап (ведущий летчик — В. А. Степанченок) проводился в довольно быстром темпе и закончился к 1 января 1934 г. Второй этап продолжался с 14 января по 24 марта. Испытания подтвердили высокие летные характеристики машины. Поэтому еще до их завершения,
2 февраля 1934 г., отмечая вклад коллектива в создании образцов новой боевой техники, нарком
