Истребитель-моноплан И-16, спроектированный Поликарповым в 1934 г., открыл целую эпоху в истории советской авиации. Это был первый серийный самолет с убирающимися шасси и скоростью свыше 400 км/ч. Он имел три принципиальные особенности: малые геометрические размеры, очень небольшие моменты инерции относительно всех трех осей и малый запас продольной статической устойчивости на планировании, а также очень малый полетный вес. Первоначально И-16 был вооружен двумя все теми же спаренными пулеметами ШКАС.
В марте 1934 г. в НИИ ВВС РККА прошли государственные испытания И-16 с девятицилиндровым мотором М-25 (так в СССР назвали американский двигатель Wright Cyclone R-1820-F-3) мощностью 480 л.с. Полеты выполняли летчики-испытатели Владимир Коккинаки и Валерий Чкалов. Самолет развил максимальную скорость 359 км/ч и достиг потолка в 7180 м. По скоростным качествам истребителя Госкомиссия сделала следующие выводы: «Благодаря хорошим аэродинамическим формам и убирающимся шасси И-16 уступает по скорости на высоте 5000 м немногим серийным истребителям, состоящим на вооружении иностранных воздушных флотов, превосходя их по скорости до высоты 2000 м и уступая в потолке и скороподъемности».
Однако испытания выявили и слабые места нового самолета: очевидную ненадежность шасси, протекание бензобаков, недостаточную прочность различных кронштейнов, деформацию крепления прицела. Летчики отметили, что им плохо видны приборы, а в кабину задувает воздух. На больших скоростях у самолета начинали вибрировать крылья, а при посадке происходил завал на правое крыло. Крепление ШКАСов при стрельбе сильно расшатывалось, и в результате получался огромный разброс пуль.
В сентябре того же года И-16 снова прошел госиспытания, но теперь уже с мотором М-25. На этот раз он развил максимальную скорость у земли в 395 км/ч. И впоследствии эта модификация, получившая обозначение Тип 5, стала самой массовой.
С 28 августа по 3 ноября 1935 г. летчики 107-й истребительной авиаэскадрильи (ИАЭ) майора Курдюмова проводили войсковые испытания нового самолета по трем основным тактическим задачам: одиночный и звеньевой бой, атака аэростатов заграждения и стрельба по наземным целям. Именно тогда И-16 впервые был опробован в роли штурмовика. При этом на испытаниях присутствовал лично главный конструктор Поликарпов.
За 39 летных дней каждый пилот налетал по 50 часов. Максимальная продолжительность полета составила 2 часа 10 минут при скорости 260 км/ч. Машина показала хорошее пикирование при любых углах и хорошо выполняла фигуры высшего пилотажа: петли, перевороты и боевой разворот.
Однако в ходе учебных воздушных боев с И-7 выяснилось, что управление слишком чувствительное. Даже при небольшом давлении на ручку управления «дергалась вся машина». Именно в силу неустойчивого полета и характерной сплющенной формы И-16 в дальнейшем получил свое знаменитое прозвище «Rat», то есть «крыса». Испытания выявили и многочисленные дефекты нервюр и слабость конструкции шасси. Во время полета фонарь кабины забрызгивало маслом, а внутри ее накапливались выхлопные газы. Да и пулемет ШКАС оказался очень сложен в эксплуатации, в воздухе он нередко отказывал, а на земле бывали случаи самоспуска.
В течение 1936 г. произошло несколько аварий самолетов во время выполнения пикирования, что было необходимым условием для штурмовки. Так, 13 февраля летчик-испытатель П. Павлушев взлетел с аэродрома завода № 21 на И-16 с серийным № 52161. Выполнив подъем на высоту 8000 метров, он перешел в пологое пикирование, но затем на высоте 1500–1700 метров самолет потерял управление. Он врезался в землю в трех километрах от аэродрома, и пилот погиб. Вероятной причиной катастрофы было объявлено возгорание бензина и задымление кабины, из-за которого Павлушев потерял сознание.
