В связи с освоением М-62 мощностью 900 л.с. в 1939 г. часть И-15бис решили оснастить этими двигателями. До прекращения серийного производства успели изготовить 27 И-15бис М-62. Кроме этого, предполагалось устанавливать М -62 непосредственно в частях, на самолетах, имеющих М-25В.
В ходе испытаний И-15бис № 5237 с М-62 удалось получить некоторое улучшение летных характеристик, в частности, максимальная скорость на высоте 4200 м составила 400 км/ч. Летали летчики А.Ф. Тамара (начальник ЛИС завода № 1), К.К. Коккинаки (капитан Константин Константинович Коккинаки - младший брат Владимира Константиновича Коккинаки), Б.А. Туржанский, А.И. Залев-ский. 16 мая 1939 г. И-15бис № 5237, пилотируемый комбригом Залевским, был разбит у станции Новосельцы, в 15 км от Лобни (под Москвой). Причина оказалась банальной - забыли дозаправить топливные баки перед повторным вылетом. В этой связи аварийная комиссия, расследующая происшествие, предложила запретить все полеты опытных самолетов вне зоны Центрального аэродрома. Причиной тому была еше и незабытая катастрофа В.П. Чкалова на И-180 в декабре 1938 г.
Еще один И-15бис М-62 (воздушный винт диаметром 2,8 м), серийный № 5739, проходил эксплуатационные испытания с 13 января по 22 марта 1940 г. Летал А.И. Залев-ский от завода № 1, от НИИ ВВС летал летчик Федрови. Одной из задач при этом являлось испытание М-62 до полного износа. И-15бис № 5739 совершил 479 взлетов и посадок, выполнил 2053 фигуры высшего пилотажа.
Среди разнообразных силовых установок, использующих реактивный принцип, достаточно большой интерес в начале 1930-х годов вызывали прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД). Ряд советских ученых, активно сотрудничавших в те годы с Реактивной секцией Стратосферного комитета ЦС Осовиахима СССР, приложили свои усилия к теоретическому обоснованию таких работ. Первые в СССР ПВРД построил инженер И. Меркулов, который летом 1939-го предложил использовать их для увеличения максимальной скорости истребителей с поршневыми авиадвигателями. В качестве горючего использовался авиационный бензин из основного бака, поэтому ПВРД назывались «дополнительными моторами» (ДМ). Первый такой двигатель диаметром 240 мм, получивший обозначение ДМ-1, проходил стендовые испытания во второй половине 1939 г. В сентябре того же года изготовили более мощные двигатели ДМ-2, длина которых составляла 1500 мм, максимальный диаметр 400 мм, диаметр выходного сопла 300 мм. Вес каждого двигателя вместе с элементами крепления составлял всего 19 кг. После успешных испытаний в аэродинамической трубе ДМ-2 установили под нижними плоскостями истребителя И-15бис. Хвостовую часть самолета во избежание загорания в воздухе обшили металлическими листами.
И-15бис с прямоточными воздушно-реактивными двигателями ДМ-2, подвешенными под нижним крылом.
Испытания И-15бис с ПВРД начались 25 января 1940 г. в районе Центрального московского аэродрома, прямо над городскими кварталами. Когда летчик Петр Логинов запустил в воздухе реактивные двигатели, ему показалось, что за самолетом встала стена огня. Со стороны казалось, что за машиной тянутся многометровые огненные струи. Необычное явление наблюдали с земли и в близлежащих московских кварталах. В городе начался переполох, спустя короткое время к воротам аэродрома примчались спасать летчиков сразу пять пожарных команд.
Летные испытания ПВРД на самолете И-15бис продолжались по июль 1940 г. Они велись на скоростях 320- 340 км/ч. При включении ДМ скорость увеличивалась на 18-22 км/ч. Всего было проведено 54 таких полета. Кроме Логинова, летали летчики А. Давыдов, Н. Сопоцко и старейший московский испытатель Александр Жуков. В последующих полетах пилоты, дабы не пугать москвичей, улетали за 20-30 км от города. В дальнейшем опыты с прямоточными ДМ продолжили на И-153, ЛаГГ-3, Як-7, Як-9. На «Чайке» прирост скорости с новыми ДМ-4 составил 40-50 км/ч, на истребителях-монопланах - до 110 км/ч.
Использование самолетов-истребителей И-16 в качестве тактических фоторазведчиков на Хал хин-Голе оценивалось весьма положительно. Было предложено иметь такие специализированные самолеты в каждом авиаполку. Хотя, как известно, полноценного развития это благое намерение не получило, несколько самолетов таким образом оборудовали в Западном военном округе. В августе 1940 г. по одному И-16, оборудованному фотоаппаратом АФА-И, имелось в Белостоке в 33-м и 41-м иап. Там же, в Белостоке, в 41-й иад летом 1940 г. летали И-15бис № 4652 и № 4750, оборудованные АФА-И. Отмечалось, что установку фотоаппаратов можно осуществлять в частях. Впоследствии, особенно в ходе войны, такая установка действительно осуществлялась в полевых условиях.
Летом 1938 г. летчик НИИ АВ (Научно-исследовательский институт авиационного вооружения) лейтенант Звонарев предложил разместить на И-15бис два пулемета ШКАС сзади пилота для использования в качестве ночного истребителя. Направление стрельбы вверх, под углом 60° к вертикали. Предложение рассматривалось, однако реализации не последовало по причине получения при этом слишком задней полетной центровки.
В 1936-1938 гг. в РНИИ под руководством Клейменова велись проектные работы по созданию самолетной катапульты с использованием пороховых ракет. В 1938 г. по заданию ВВС РККА в НИ И-3 НКОП по проекту профессора Р. Дудакова разработали полевую катапульту, базирующуюся на шасси тяжелого грузовика «ЯГ-6». В качестве самолета, предназначенного к катапультированию, разработчики ориентировались на истребитель И-15бис.
Катапульта предполагалась разборной, ее вес составлял 5500 кг, длина в рабочем положении - 27 метров. Применять ее предполагалось для береговой обороны, на участках, не оборудованных аэродромами. Для старта использовался 50-кг заряд специального пороха, который обеспечивал старт самолета со взлетным весом до 2500 кг при скорости от 80 до 130 км/ч и ускорении 4,5q. Проектные работы продолжались включительно по 1939 г. В результате признавалось, что данная катапульта неэкономична (стоимость порохового комплекта более 1000 руб.), требует сложной регулировки заряда в зависимости от взлетного веса самолета и силы ветра, обладает повышенной опасностью, поэтому в конечном счете от ее реализации отказались.
В 1940 г. Николай Поликарпов предложил использовать И- 15бис в качестве пикирующего бомбардировщика с подвеской под фюзеляжем бомбы весом 100 кг. Для вывода бомбы за диск вращающегося винта был разработан специальный подвижный держатель ПБ-ЗА. Проведенные испытания показали, что с ФАБ-50 результаты вполне удовлетворительные. Однако стандартная ФАБ-100 при подвеске на И-15бис задевала стабилизатором грунт, поэтому дальнейшего развития предложение не получило.
В 1939-1940 гг. среди различных вариантов «самолета-звена» конструктора Вахмистрова предполагалось использование И-15бис. Имелись проекты АНТ-44+2И-15бис и ГСТ+2И-15бис. Как и многие другие предложения подобного типа, данная схема «звена» детально не прорабатывалась.
В инструкции по эксплуатации самолет описывался следующим образом: «И-15бис имеет несколько большие горизонтальные скорости у земли и на высотах по сравнению с И-15 «Чайка» и обладает хорошим диапазоном скоростей (от 100 до 370 км/час), имеющим большое значение при боевом применении машины. И-15бис хорошо и устойчиво пикирует под всеми углами наклона продольной оси вплоть до отвесного
