11 апреля 1939 г. однотипный с опытным самолетом, И-153 войсковой серии разрушился в воздухе, достигнув на пикировании скорость 500 км/ч. Причиной разрушения стала недостаточная прочность крыльев, поэтому, начиная с 4-й серии, конструкцию усилили, в частности, зашивка передней кромки крыльев фанерой стала делаться по всему размаху.
Государственные испытания И-153 с новым двигателем М-62 проводились в период с июня по сентябрь 1939 г.
16 июня И-153 N» 36019, оснащенный двигателем М-62 и воздушным винтом фиксированного шага (ВФШ), перегнали с завода и в течение 60 дней полностью испытали. Самолет развивал максимальную скорость 443 км/ч на высоте 4600 м. Поскольку по расчетам надеялись получить 462 км/ч, то было решено, что по причине недостаточной максимальной скорости истребитель И-153 испытания не выдержал. Одновременно припомнили и другие накопившиеся недостатки. Признавалось, что обзор на самолете неудовлетворительный, особенно при взлете и рулении. Военные требовали сделать новый центроплан, оставив «чайку», но с улучшенным обзором. Самолет, однако, находился уже в серийном производстве и реализовать эти пожелания оказалось невозможно. Во время испытаний отмечалась вибрация элеронов и было отмечено 9 случаев обрыва расчалок. Последний недостаток устранили довольно легко — вместо одинарных расчалок поставили двойные.
Среди возможных вариантов улучшения летных характеристик рассматривались следующие: подбор более эффективных воздушных винтов и винтов изменяемого шага (ВИШ), применение двигателя М-63 максимальной мощностью 1100 л.с.
Первые два И-153 № 6039 и 6012, оснащенные двигателями М-63 были готовы осенью 1939 года. Хотя эти самолеты считались серийными, в действительности их можно рассматривать как опытные машины. На машине № 6012 кроме прочего испытывался новый моторный капот с «юбкой». Но внедрения и дальнейшего развития этого новшества на «Чайках» не произошло. Что касается И-153 № 6039, то на нем занимались отладкой охлаждения двигателя. М-63 имел более напряженный тепловой режим работы, и для него под капотом двигателя установили увеличенный 9-дюймовый маслорадиатор. Пришлось изменить и сам капот. Были увеличены размеры окон охлаждения в лобовой части, а напротив 4 и 7 цилиндров двигателя прорезали дополнительные отверстия для охлаждения. Кроме того, увеличили до 50 мм размер выходной щели за счет увеличения диаметра задней кромки капота.
Государственные испытания головного серийного И-153 № 6540 с двигателем М-63 начались 21 января 1940 г. В этот день самолет стартовал с Ходынки и перелетел на аэродром в Щелково для проведения полетов. Испытания проводились на лыжном шасси вплоть до схода снега 31 марта. Была получена максимальная скорость 431 км/час, которая расценивалась как недостаточная. Причиной недобора ожидаемых более высоких показателей посчитали лыжное шасси и неудовлетворительную регулировку карбюратора.
В основном испытанный самолет не имел каких-либо отличий перед прежними И-153. Поэтому на нем провели ресурсные испытания. Летчики НИИ ВВС выполнили на № 6540 более 1500 фигур высшего пилотажа. Летали и на штопор — эта проблема беспокоила создателей самолета уже в течение года.
Долгие годы считалось, что самый опасный самолет по части штопора — истребитель И-16. И хотя «ишачок» выводился из этой рискованной, а порою фатальной фигуры пилотажа прямо-таки идеально, миф о коварном характере И-16, зародившись в 30-е годы, благополучно дожил до наших дней. Об истребителе И-153 подобные слухи не распространялись, а тем не менее, он страдал этим недостатком в большей степени. В оценке техники пилотирования И-153 было записано: «Самолет парашютирует хорошо. При взятой ручке «на себя» и убранном газе стремления свалиться на крыло нет, тенденций к срыву в штопор также нет. Скорость на парашютировании 110 — 120 км/час». Но проверка на штопор была обязательной, тем более, что при резком пилотировании, при «передирании» ручки управления «Чайка» в штопор входила, а выходить в нормальный полет не желала, что сразу отметили летчики-испытатели.
Лишь летом 1939 г., когда новый истребитель уже участвовал в боевых действиях в Монголии, в НИИ ВВС провели летную проверку на штопор самолета И-153 № 6019 с двигателем М-62 и воздушным винтом фиксированного шага.
Результаты этой проверки сразу разочаровали. Самолет уже на третьем витке переходил в пологий штопор с неустановившимся характером вращения. На пятом витке обычно останавливался мотор, после чего вывод машины в нормальный полет становился крайне затруднительным. Попытка выпускать шасси и тем самым смещать центр тяжести вперед не помогала, «Чайка» выходила из вращения со значительным, до 10 — 12 витков, запаздыванием. На выходе из штопора, т.е. при переходе в пикирование, порою сам собой, без вмешательства летчика запускался мотор. «Грешили» на ненормальную работу карбюратора АК.-25-4ЛФ, пробовали использовать принудительную подачу топлива, но и это не помогло. Ситуация складывалась весьма неприятная. Производство самолетов росло, они направлялись в войска, а проблема безопасных полетов на них, оказывается, была все еще не решена.
Осенью 1939 г. приказом наркома авиапромышленности на заводе № 1 для разрешения вопроса создается комиссия в составе: конструктора Н. Поликарпова, бригадного инженера И. Петрова и специалиста по штопору профессора А. Журавченко. В результате работы комиссии в ноябре 1939 г. родилась «Инструкция по технике пилотирования И-153 с М-62». Инструкция подробно описывала все действия пилота в полете и на земле, а в самом интересном месте было написано: «Штопор на самолете И-153 полностью не изучен. Предварительные испытания выявили отрицательные штопорные свойства самолета. Выполнять штопор на самолете И-153 М-62 с целью тренировки запрещается».
Удовлетворить кого-либо такие выводы не могли, поэтому в начале 1940 г. для продолжения злополучных исследований выделили очередной самолет — № 6566. По сравнению с предыдущими машинами, этот отличался более тщательным изготовлением, окраской и отделкой. № 6566 оказался несколько тяжелее за счет усиления конструкции, установки инерционного стартера и воздушного винта изменяемого шага. Полетный вес самолета составил 1853 кг.
29 февраля 1940 г. на новой «Чайке» начал летать летчик Кубышкин, а закончил испытания 13 мая капитан Прошаков. Опробовав все возможные варианты поведения самолета в воздухе, летчики, наконец, определили и наилучший способ вывода И-153 из штопора. В заключении указывалось, что при строгом выполнении «Инструкции» штопор безопасен. Предлагалось разрешить пилотам строевых частей производить тренировку на штопор до 2-х витков.
Через несколько месяцев «Инструкция» была опробована на И-153, оснащенном двигателем М-63.
