Знакомство с материалами проекта показывает, что разработчики представили лишь аэродинамический расчёт машины, не проводя продувок модели, а мощность двигателя взяли несколько меньше заданной. В результате скорость получилась ниже, чем было предусмотрено тактико-техническими требованиями. НИИ ВВС ничего не оставалось, как вернуть проект на доработку.

Второй его вариант оказался более успешным. 19 января 1940 г. он был утверждён. На этот раз при полётном весе 2700 кг максимальная скорость истребителя с двигателем М-105ТК ожидалась не ниже 648 км/ч на высоте 10 000 м и 489 км/ч — у земли, а практический потолок — 12 350 м. Радиус действия — 500 км (видимо, с подвесными баками — Прим. авт.). Вооружение состояло из двух пулемётов БС и пары ШКАСов. Одновременно утвердили, хотя и с неизбежными замечаниями, макет самолёта, а вскоре последовало решение правительства о строительстве опытных образцов.

Первый опытный образец И-301 появился весной 1940 г. Моторостроители никак не могли довести до требуемой надёжности ни турбокомпрессоры, ни двигатель М-106. Это вынудило поставить на первый опытный образец серийный мотор М-105П, что, естественно, снижало лётные данные. Турбонаддув решили смонтировать позднее, после поступления нагнетателей ТК-2.

19 марта лётчик военной приёмки завода № 39 В. А. Степанчёнок приступил к испытаниям И-301. Начали, как обычно, с руления и подлётов. Устранение выявленных дефектов заняло неделю, и на воскресенье 25 марта назначили первый вылет, но он не состоялся из-за инцидента между лётчиком и наркомом авиационной промышленности.

Конфликт удалось быстро разрешить. Пилота заменили. В тот же день, 25 марта, заводской испытатель Н. К. Фёдоров, опробовав работу винтомоторной группы, сделал первые пробежки. 9 апреля И-301 поднялся в воздух, пилотировал его лётчик НИИ ВВС А. И. Никашин. К концу месяца стало ясно, что турбокомпрессоры к заданному сроку не поступят, и руководство завода попросило разрешить закончить заводские испытания первой машины без ТК-2 и в таком же виде передать её в НИИ ВВС. Турбонагнетателями обещали укомплектовать второй опытный образец истребителя. 23-мм пушку МП-6 и синхронные пулемёты БС до передачи машины в НИИ ВВС так и не успели отстрелять в воздухе.

Горбунов, Лавочкин, Гудков и директор завода № 301 Эскин 17 мая направили наркому Шахурину письмо, в котором говорилось, что по предварительным данным максимальная скорость на высоте 4000 м получилась 580–585 км/ч; разбег при использовании щитков — 255–280 м, а пробег — 200–220 м (посадочная скорость 120 км/ч). Также сообщалось, что устойчивость самолёта хорошая, в пилотировании он прост. Посадка вполне доступна лётчику средней квалификации. Уже установленное вооружение из пушки МП-6 и двух пулемётов БС могло быть дополнено восемью реактивными снарядами РС-82 и двумя пулемётами ШКАС.

На самом деле картина была не столь радужной. Постоянно сталкивались с перегревом воды и масла. Во время испытаний дважды заменяли двигатель. Гидросмесь подтекала. Нагрузки на рулях оказались очень велики. Но в целом результат сочли удовлетворительным.

Заводские испытания И-301 завершились 12 апреля 1940 г. А 29 апреля приказом НКАП его включили в список самолётов, участвующих в первомайском воздушном параде. Прозванный на заводе «роялем» (истребитель был покрыт лаком вишнёвого цвета и отполирован), он эффектно пролетел над Красной площадью. Пилотировал машину Никашин.

14 июня 1940 г. И-301 приняли в НИИ ВВС. Ведущим инженером назначили М. И. Таракановского (участвовавшего ещё в заводских испытаниях), ведущим лётчиком — П. М. Стефановского; в испытательных полётах также принимал участие С. П. Супрун. Довольно быстро выявилась масса дефектов ещё «сырой» машины, дававших о себе знать почти в каждом полёте. Поначалу никак не могли достичь скорости более 585 км/ч. Причиной оказалось недостаточное сечение всасывающих патрубков мотора. Заводская бригада переделала их за одну ночь. После этого удалось довести максимальную скорость до 605 км/ч.

В ходе испытаний заменили потёкший водяной радиатор, сняли, разобрали и поставили опять карбюратор, сменили покрышки колёс. Но всё это делалось без снижения темпа полётов. Всего совершили 42 полёта общей продолжительностью 16,5 ч. Они позволили определить основные характеристики машины, но никто не знал, как она поведёт себя на пикировании, при выполнении фигур высшего пилотажа, включая штопор; не удалось проверить в воздухе работу вооружения.

Опытный истребитель И-301, весна 1940 г.

Пушка МП-6, установленная на моторе М-105П во время полигонных испытаний: а — пушка; б — магазин на 81 патрон; в — заднее крепление; г — фальшствол.

Приборная доска И-301.

Государственные испытания заняли всего шесть дней, закончившись 27 июня. В заключении отчёта НИИ ВВС говорилось:

Левый борт кабины И-301.

Правый борт кабины И-301.

Среди подробно перечислявшихся далее недостатков отмечались высокая температура в пилотской кабине, плохой обзор из неё (из-за низкого качества отечественного плексигласа), перегрев воды и масла при наборе высоты, недостаточная продольная устойчивость, слишком большая нагрузка на основные стойки шасси при взлёте, отсутствие посадочной фары и радиостанции.

Машину отправили в Химки на переделку. После доработки заводские испытания первого образца И-301 продолжили, но в августе 1940 г. он потерпел аварию. К этому времени было совершено 79 полётов общей продолжительностью свыше 32 ч. 11 августа машину подготовили к полёту лишь к вечеру. Около 19 часов Никашин вырулил на старт. Полёт проходил нормально, и через полчаса истребитель зашёл на посадку против солнца. Именно это обстоятельство в совокупности с малыми размерами заводского аэродрома привело к грубой посадке с поломкой шасси.

Первый образец И-301 потом отремонтировали, а попутно внесли некоторые изменения в планер и оборудование. В частности, на машине появился радиополукомпас. На этом самолёте проводили испытания на пикирование и отстрел вооружения. Машина летала до 4 января 1941 г., когда в полёте расплавились коренные подшипники мотора. Лётчик из НИИ ВВС совершил посадку на «брюхо», но истребитель получил тяжёлые повреждения и более не восстанавливался.