Из многочисленных экспериментальных вариантов И-16 следует отметить такие. ЦКБ-18 — штурмовик с бронированной кабиной и мотором М-22. Вооружение — четыре пулемета ШКАС в крыле и 100 кг бомб. И-16 тип 20 был построен для испытания подвесных баков. На И-16 с. о… И-16 БС отрабатывалась установка синхронных крупнокалиберных пулеметов БС, ТКБ-150, а на И-16 ПС — синхронных пушек ШВАК.

На отдельных типах И-16 для повышения высотности двигателя предпринимались попытки установить турбокомпрессоры. С двумя ТК-1 и мотором М-25В И-16 показал скорость 494 км/ч на высоте 8600 м, а с М-62 — 520 км/ч на высоте 10000 м. Это самая большая скорость, реально полученная на И-16. К сожалению, довести турбокомпрессоры до рабочего состояния удалось только в 1947 г. на АШ-73ТК, с использованием американского опыта (на бомбардировщике Ту-4).

Работая над совершенствованием И-16, Николай Николаевич прекрасно понимал, что значительно улучшить летно-технические характеристики истребителя с двигателем воздушного охлаждения можно, только перейдя к применению двухрядных "звезд". И едва на заводе № 29 в Запорожье освоили выпуск мотора М-85 (лицензионное воспроизводство французского 850-сильного 14-цилиндрового "Мистраль-Мажор" 14К фирмы “Гном-Рон"), как в КБ Поликарпова начались проработки истребителя под новую силовую установку. Однако М-85 при меньшем, чем у М-62, миделе не обладал еще достаточной мощностью и не мог дать заметных преимуществ. Тем не менее работать над истребителем с двухрядной "звездой" следовало, помня о перспективе.

В конце 1937 г. Поликарпов разработал предварительный проект нового истребителя И-165-II с М-88(1), а в марте 1938 г. на его основе подготовил первый вариант эскизного проекта И-180. Это был близкий по схеме к И-16 самолет с несколько увеличенными размерами и широким использованием в конструкции планера прессованных профилей и штампованных деталей. Вооружить И-180 предполагалось четырьмя синхронными пулеметами ШКАС (два над двигателем и два в центроплане). В дальнейшем крыльевые пулеметы собирались заменить пушками. В перегрузку истребитель должен был поднимать 200 кг бомб. Ведущим конструктором по новой машине стал Д.Л. Томашевич.

Поликарпов хотел получить безредукторный М-88, т. к. существовавший М-88Р требовал установки винта диаметром не менее 3,2 м, что для столь небольшого самолета было много (высокое шасси — трудности с его уборкой). Но изготовление этого мотора затягивалось. Кроме того, горьковский завод № 21, где предполагалось строить серийно И-180, не готов был к широкому освоению новых техпроцессов при изготовлении металлических узлов и деталей.

Все это вызвало необходимость проектирования иного варианта И-180, близкого по технологии к И-16 с мотором М-88Р и винтом ВИШ-23Е. В результате расчетные летно-технические данные несколько снизились. Если для первого варианта скорость составляла 572 км/ч, то для второго — 557 км/ч.

Летом 1938 г. на опытном заводе № 156 началась постройка опытного экземпляра И-180. С осени она проводилась форсированными темпами — последние испанские события играли роль сильного катализатора. Но предприятию, строившему ранее в основном крупные самолеты, трудно давалась технология производства небольшого истребителя. Ряд узлов и агрегатов имели низкое качество, на что Поликарпов неоднократно обращал внимание главного инженера.

Выпуск первого И-180 взял под контроль начальник Главнего управления Наркомоборенпрома СИ. Беляйкин. Он постоянно торопил с окончанием сборки, иногда напрямую вмешивался в производство, что вносило дополнительную нервозность в работу ОКБ и завода.

Сроки сдачи машины приближались, а завод-изготовитель все еще не поставил винт ВИШ-23Е. Для проведения наземных испытаний Поликарпов решил использовать ВИШ-ЗЕ с близкими характеристиками. Не был получен и автомат изменения шага винта, поэтому управление им сделали ручным, рассчитанным только на взлетный режим и максимальную скорость полета. Из-за снижения к.п.д. винта на переходных режимах мотор работал на повышенных оборотах и перегревался. Лобовые жалюзи были сняты, что и объясняет их отсутствие в первом вылете. Николай Николаевич надеялся получить ВИШ-23Е, установить жалюзи, устранить обнаруженные дефекты и только после этого приступить к летным испытаниям. Однако Беляйкин, на которого, конечно, тоже "давили" сверху, потребовал немедленно произвести первый вылет. И в начале декабря самолет передали на ЛИС. И-180 имел еще много недоработок, большинство из которых, правда, не являлись препятствием к полету.

Серьезный дефект обнаружился уже при выполнении пробежек. 12 декабря сломалась тяга управления сектором газа. Дефект был устранен в течение двух дней. Агрегат прошел жесткие испытания, о чем был составлен акт.

Сегодня точно неизвестно, кто пр1^нял решение о первом вылете. Не исключено, что накануне он планировался, т. к. погода была довольно мягкая, но в ночь на 15 декабря резко похолодало: температура снизилась до -25 °C.

Поликарпов и Томашевич полетный лист не утвердили. Не завизировал его и военпред завода № 156. В графе "Подпись ответственного лица, выпускающего самолет" не расписался никто. Как следует из этого документа, задание обеспечивало безопасную посадку даже в случае остановки двигателя: "… вылет без уборки шасси, с ограничением скоростей, согласно указаний Главного конструктора завода тов. Поликарпова Н.Н. По маршруту Ц.А.(2) На высоте 600 м. Продолжительность 10–15 мин…" Подписал задание ведущий инженер Н. Лазарев.

Так или иначе, в 12 часов 58 минут Чкалов выполнил взлет на И-180. Первый круг он сделал над аэродромом, но на второй пошел с большим удалением, на высоте примерно 2000 м, что было явным нарушением полетного задания, и издали стал планировать на ВПП. Но глиссада оказалась круче, чем предполагал летчик. Нужно было "подтянуть", и при даче газа мотор остановился. Когда до полосы оставалось немногим более 500 метров, стало ясно, что посадки среди различных построек не избежать. Уклониться от столкновения с крышей барака Чкалову удалось, но по курсу возникла опора ЛЭП. И-180 врезался в нее центропланом, пилота выбросило из кабины, он упал на землю и, ударившись о металлическую балку, разбил голову. Упади он хоть чуточку дальше… Через 2 часа Валерий Павлович скончался в Боткинской больнице.

Причиной катастрофы правительственная комиссия назвала остановку мотора вследствие его переохлаждения из-за отсутствия лобовых жалюзей. Сейчас высказываются и другие, не связанные с переохлаждением причины остановки двигателя. В частности то, что мотор мог заглохнуть из-за резкого перемещения Чкаловым сектора газа при попытке "подтянуть" — такой недостаток был характерен для советских двигателей воздушного охлаждения. Иногда указывают на возможные неполадки в системе управления двигателем, вспоминая поломку 12 декабря. Но как писал Д.Л. Томашевич известному летчику А.Н. Грацианскому, приехав на место падения И-180, он сам убедился в исправности сектора газа на разбитом самолете.

Представляется, что поиск причин остановки мотора сегодня менее актуален, чем в 1938 г., когда испытания должны были продолжиться на втором экземпляре истребителя. Более важно оценить степень неизбежности катастрофы и ее последствия.

Сразу после гибели Чкалова арестовали С.И. Беляйкина, директора завода № 156 М.А. Усачева, начальника ЛИС завода В.М. Парая, заместителя Поликарпова Д.Л. Томашевича и других. Все они в 1956 году были реабилитированы (Беляйкин и Парай — посмертно) после работы экспертной комиссии под председательством М.М. Громова. Сам Михаил Михайлович в своей книге "Через всю жизнь" (1985), касаясь гибели Чкалова, писал: "…винить можно только конструктора самолета, не успевшего установить систему охлаждения мотира, и летчика-испытателя… ему следовало либо отказаться от вылета, либо лететь с таким расчетом, чтобы иметь возможность сесть на аэродроме в любой момент даже с остановившимся мотором".