Однако, несмотря на уже вынесенный приговор, Николаю Николаевичу удалось избежать трагической участи. В декабре 1929 года в Бутырской тюрьме из состава большой группы арестованных авиационных специалистов было организовано Особое конструкторское бюро – ОКБ ОГПУ, в январе 1930 года переведенное на территорию авиазавода № 39 и переименованное в ЦКБ-39 ОГПУ им. Менжинского. Руководство работой коллективом возложили на Д.П. Григоровича, арестованного 31 августа 1928 года, его заместителем назначили Поликарпова. Здесь, в стенах первой из многочисленных в будущем «шараг», был создан истребитель И-5, ставший основным истребителем советских ВВС середины 30-х годов и даже успевший принять участие в боевых действиях первого периода войны. Остававшиеся в парке летных школ, а иногда и восстанавливаемые из числа списанных, бипланы хотя и безнадежно устарели для роли истребителя, но эпизодически применялись в качестве легких бомбардировщиков и штурмовиков в 1941-м и даже в 1942 годах.
И-5 стал предшественником линейки знаменитых поликарповских истребителей-бипланов И-15, И-15бис и И-153.
К началу войны в штате ВВС РККА и авиации флота числилось 598 боеготовых истребителей И-15, созданных еще в 1933 году, и 473 экземпляра его модификации И-15бис, в том числе 150 И-15 и 230 И-15бис на западном направлении.
И-15 первый боевой опыт получил в 1936 году в Испании, где советская боевая техника и советские военнослужащие и специалисты принимали участие в боевых действиях на стороне республиканского правительства против фалангистов генерала Франко и действовавших на его стороне во время гражданской войны 1936–1939 годов. Прозванные испанцами «Chato» («курносый») советские истребители вели действия против авиации франкистов и действовавших на их стороне пилотов итальянского экспедиционного корпуса и немецкого «Легиона Кондор». В 1938 году был начат выпуск И-15бис, отличавшегося в первую очередь более мощным двигателем М-25В и новым капотом NACA, а также прямым центропланом верхнего крыла вместо характерного V-образного излома у И-15.
В боевых частях И-15бис оставались до 1942 года, после чего были переведены в учебные подразделения. Боевое применение преимущественно ограничивалось нанесением штурмовых ударов по позициям и боевым порядкам противника. Для этих целей на истребители устанавливались бомбодержатели, рассчитанные на поднятие до 150 кг бомб, и направляющие 82-мм реактивных снарядов.
До 1944 года (а в отдельных случаях и до 1945 года) эти самолеты продолжали службу во внутренних округах и на Дальнем Востоке, однако в боевых действиях против Японии в сентябре 1945 года участия уже не принимали.
Одним из самых массовых истребителей в парке советских ВВС на момент начала войны оказался И-153 «Чайка», получивший такое наименование благодаря возврату к характерной форме центроплана верхнего крыла.
Созданный в 1939 году последний советский серийный истребитель-биплан имел убирающееся шасси, 800-сильный двигатель М-62 обеспечивал скорость до 462 км/ч, вооружение состояло из четырех 7,62-мм пулеметов ШКАС. Достоинством самолета оставалась высокая маневренность – время выполнения виража составляло всего 12–13 с. Последний советский биплан принимал участие в боевых действиях против японцев в конфликте у реки Халхин-Гол и в Советско-финляндской войне 1939–1940 годов.
На 22 июня 1941 года в авиаполках ВВС Западных округов насчитывалось более 1500 истребителей И-153, принявших участие в первых боях против люфтваффе. На «Чайках» встретил войну ряд прославленных впоследствии советских асов, в числе которых были Г. Речкалов, А. Клубов, Амет-Хан Султан.
