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. Испытания на штопор на самолете № 8019 проходили в июне и июле 1940 г. Летали летчики Жуков, Супрун, Кубышкин, Ларюшкин. По результатам этих полетов сделали заключение, что И-153 с мотором М-63 при строгом следовании инструкции имеет возможность безопасного выхода из штопора. Хотя новая машина имела за счет установки тяжелого двигателя более переднюю центровку, улучшения штопорных характеристик отмечено не было.

На этом штопорные испытания и закончились. Все как будто было соблюдено: недостатки — определены, как с ними бороться — оговорено. Но даже много лет спустя старые пилоты, при упоминании о штопоре на «Чайке», сокрушенно качали головами и добавляли: «Не хотела выходить…»

В заключение истории со штопором уместно отметить некоторые особенности пилотирования И-153. Уже на рулении пилоту приходилось из-за недостаточного обзора передвигаться «змейкой», энергично работая педалями ножного управления. На взлете И-153 хорошо держал направление, отрывался легко, был возможен взлет без подъема хвоста. На хорошо сбалансированных самолётах можно было летать с «брошенной» ручкой управления, Ввиду хорошей поперечной устойчивости в вираж И-153 входил вяло, не боялся перетягивания ручки. При потере скорости сваливался на крыло с опусканием носа (то есть в штопор не стремился). Но происходило это на скоростях, меньших посадочной, поскольку на посадке пилоты тенденций к сваливанию не отмечали. Пикировал И-153 устойчиво, скорость набирал медленно. При превышении скорости 430 км/ч отмечалась тряска хвостового оперения. При эксплуатации на колесах самолет выполнял посадку на «три точки», при несоблюдении этого условия имел тенденцию к прыжкам за счет жесткой амортизации. Задувание в кабине расценивалось вполне приемлемым, но полет без очков считался невозможным.