На компоновке истребителя И-180-1 цифрами обозначены: 1 • винт ВИШ-23Е; 2 * мотор М-88Р; 3 - кольцевой маслорадиатор; 4 - жалюзи входные; 5 - маслобак; 6 - бензобак; 7 - пулемет ШКАС; 8 - газоотводная труба; 9 - патронные коробки; 10 - патронные коробки центропланных пулеметов; 11- кислородный прибор КПА-3 бис; 12 - сектор управления нормальным газом, высотным газом и переключения скоростей нагнетателя; 13 - ручка подъемного механизма кресла; 14 - аккумулятор; 15 - эксплуатационный люк (правый борт); 16 - пневмоцилиндр подъема костыля; 17 - амортизатор костыля; 18 - хвостовой АНО; 19 - подпружиненные шторки узлов навески руля направления; 20 - прицел ПАК-1.
В то же время (18 мая) завершился второй этап заводских испытаний И-180-3. В отличие от первых опытных машин по инициативе Поликарпова на этом самолете усилили вооружение: два 12,7 мм пулемета БС и два 7,62 мм ШКАС были собраны в одну батарею и впервые в мире монтировались на лафете, что упрощало сборку и эксплуатацию. Для регулировки теплового режима двигателя капот снабдили "юбкой". Конструкция И-180-3 была выполнена без уступок серийному заводу, с использованием прессованных профилей: штамповки, литья. Уже на первом этапе испытаний самолет показал хорошие результаты: скорость - 575 км/ч, время набора высоты 5000 м - 5,6 мин. "По маневру самолет очень близок к И-16, но более устойчив и лучше на виражах, посадке, - писал в отчете Ульяхин. - На скоростях менее 350км/ч, до 160 км/ч, самолет не имеет тенденции к сваливанию в штопор… с отрегулированными триммерами, брошенным управлением сохраняет заданный режим полета. Продольная устойчивость при центровке 24 % САХ хорошая, поперечная устойчивость и устойчивость пути - хорошие".
Отмечались и недостатки: отсутствие фонаря кабины, плохая регулировка механизма уборки хвостового колеса, неудовлетворительная конструкция винта, некачественная отделка поверхности. Предполагалось, что после их устранения максимальная скорость достигнет 600 км/ч.
Вскоре на самолет установили фонарь, новый винт, увеличили поперечное "V" крыла. В таком виде истребитель передали на госиспытания в НИИ ВВС, которые проходили в целом успешно.
Однако 6 июля 1940 г. произошла серьезная авария. Летчик А.Г. Прошаков во время выполнения "бочки" допустил ошибку. Создав большую отрицательную перегрузку, он попал в перевернутый штопор, не смог опустить нос самолета (по словам летчика, "ручка пружинила") и покинул машину. После этого истребитель самостоятельно вошел в нормальный штопор с углом 60-70°
Ульяхин после беседы с Прошаковым и изучения всех обстоятельств на 5 страницах описал свои соображения и выводы по этой аварии: "…летчик Прошаков допустил ошибку в тех. пилотирования, и самолет И-180 выполнил обратную "бочку" или, другими словами, перевернутый скоростной штопор. Первое, что меня поразило при встрече с т.Прошаковым, это большие кровоподтеки глаз (белки были черно-красные), что является неопровержимым доказательством того, что летчик перенес отрицательную перегрузку" Подробно разобрав все действия Прошакова, Ульяхин считал решение покинуть самолет правильным, так как "… с таким кровоизлиянием глаз он не мог нормально произвести посадку… Я еще раз подтверждаю, что самолет не имеет никакой разницы в технике пилотирования с И-16 и поэтому не может быть с этой стороны дискредитирован".
Но беда не приходит одна. Из-за дефектов в эксплуатации был снят с производства двигатель М-88. 13 августа полеты на И-180 запретили и остановили его серийную постройку. Несмотря на это, в ОКБ продолжали совершенствовать истребитель, разработав, в частности, вариант с двумя турбокомпрессорами ТК-1.
Тем временем моторостроители срочно занялись доводкой М-88 (он устанавливался также на бомбардировщик ДБ-ЗФ), и вскоре были получены обнадеживающие результаты. Это позволило Поликарпову поставить вопрос о возобновлении серийной постройки И-180, и с октября 1940 г. по решению НКАП выпуск И-180 возобновился. К этому времени был изготовлен полный комплект технологической оснастки, обеспечивающей поточное производство.
"Работа по самолету И-180 начинает развертываться не только по войсковой серии, но и по первой и по второй сериям… Основным вопросом, тормозящим окончание и облет самолетов И-180, является вопрос с мотором М-88",-писал Поликарпов Яковлеву 3 ноября (двигатель прошел повторные госиспытания лишь в декабре 1940 г.).