Серийные самолеты оказались значительно тяжелее, чем опытный. Машина завода №81 без вооружения весила столько же, сколько С-17 с вооружением. Кроме того, произошел существенный сдвиг центровки назад. На заводе №301 отказались от установки на самолет радиостанции и фотоаппарата АФА-3, ранее предусмотренных для внедрения в серии, и ввели удлиненные моторамы, чтобы сместить центр тяжести вперед. Однако принятых мер оказалось недостаточно.
Госиспытания машины №301101 проходили в НИИ ВВС в декабре 1939 г. - январе 1940 г. Выяснилось, что скорость самолета у земли упала почти на 40 км/ч. Но хуже всего дело обстояло с устойчивостью и управляемостью. Вследствие задней центровки УТ-3 на всех режимах летел с опущенным хвостом, что, кроме уменьшения скорости, приводило к затенению хвостового оперения. Все пилоты, подключенные к испытаниям самолета, единодушно его ругали. Ст. л-нт Глазов: «В болтанку летать неприятно - переваливается с крыла на крыло». Майор Нюхтиков: «Самолет по технике пилотирования резко отличается от опытного образца. В горизонтальном полете... самолет «болтается» с крыла на крыло и рыскает носом по горизонту». Но самый резкий отзыв дал известный летчик-испытатель П.М.Стефановский: «Самолет значительно ухудшился в отношении пилотирования по сравнению с опытным образцом. По сравнению с боевыми серийными самолетами ничего общего в технике пилотирования не имеет... Вследствие перетяжеления конструкции, плохой устойчивости, плохих взлетных качеств, сложности в пилотировании, отсутствия сходства в пилотировании с боевыми самолетами, самолет УТ-3 как учебно-тренировочный интереса не представляет».
УТ-3 на испытаниях в НИИ ВВС
УТ-3 заводской №01147 после аварии 30 июля 1940 г.
В НИИ ВВС колдовали с центровкой, снимая и опять устанавливая вооружение, перемещая оборудование. Летчики совершали полеты при разной центровке, потом их впечатления сопоставлялись. Из анализа выданных им заданий становится понятной резкость отзыва Стефановского - ему достались самые плохие режимы, когда летать на УТ-3 было настоящей мукой. Единственно приемлемым казался так называемый «вывозной» вариант - без стрелка, задней турели с пулеметом, без бомбодержателей и бомб. В этом случае устойчивость и управляемость оставались в пределах нормы.
Понимали недостатки самолета и на заводе №301, где еще в октябре 1939 г. после опробования УТ-3 №301101 приняли решение собрать серию в двухместном варианте без вооружения. Такими стали все последующие УТ-3 этого предприятия. В серии предполагалось учесть замечания по результатам испытаний: остеклить носовую кабину сверху, со второго самолета 1-й серии ввести храповики для запуска моторов от автостартера, а позднее внедрить пиростартер вместо системы пневмозапуска.
Второй самолет вышел из цеха 17 декабря 1939 г., третий - 22 декабря. Девять УТ-3 первых серий направили на войсковые испытания. Они начались 15 мая 1940 г. в Энгельсской авиашколе. Яковлевскими машинами укомплектовали 1-й отряд 2-й эскадрильи (командир - ст. л-нт Кулишин). От головного УТ-3 серийные самолеты отличались отсутствием вооружения, усиленным костылем, измененными выхлопными патрубками и отсутствием двери между кабинами.
Испытания длились до 15 августа. Налетали в общей сложности 436 часов и 49 минут. Инструкторы летной школы оказались куда придирчивее, нежели испытатели НИИ ВВС. Их отчет был совершенно разгромным - досталось и конструкторам, и серийному заводу. Инструкторам очень не понравилась передняя кабина, в которой им приходилось работать. Тесная, душная, назад не видно ничего. Нет моторных приборов. Сидеть приходилось согнувшись, периодически стукаясь головой о потолок. Сиденье находилось далеко от педалей и, вдобавок, сдвинуто влево. Если инструктор был небольшого роста, то он просто не мог выжать педаль до отказа. Претензий по второй кабине тоже хватало: тесное сиденье, неудовлетворительный обзор, отсутствие форточки. Механики жаловались на плохой доступ к агрегатам самолета и мотора, отсутствие приспособлений и инструмента.
Относительно качества изготовления самолета в отчете значилось: «Производственное исполнение самолетов заводом №301 плохое...» Части от разных самолетов оказались невзаимозаменяемыми. Тормоза сильно грелись, заклинивало подшипники колес. Быстро изнашивались тросы управления - их хватало не более, чем на 20 часов. Особенно много неприятностей доставляли моторы. В жаркое заволжское лето, когда температура в тени превышала 35°, МВ-6 постоянно перегревались, температура головок цилиндров на 20-30° превышала максимально допустимую заводом-изготовителем. Винты АВ-3, как и старые деревянные, плохо подходили к режимам двигателя. На восьми самолетах из девяти сломали костыли! «Большое количество дефектов по самолету, мотору и ВМГ выводило из строя 5-6 самолетов ежедневно, а оставшиеся 3-4 самолета из-за вновь появляющихся дефектов использовались малоэффективно...». В итоге группа, обучавшаяся на стареньких Р-6, закончила программу раньше, чем курсанты л-нта Кулишина.