Осенью 1937 г. в Китае И-16 встретились в воздушных боях с японскими истребителями-монопланами А5М (И-96), а в 1939 г. на ХалхинТоле - с Ки-27 (И-97). Эти машины, в которых конструкторы стремились совместить качества скоростного и маневренного истребителей, имели неубирающееся шасси, малую удельную нагрузку на крыло, высокую маневренность, были просты в технике пилотирования. И-16 превосходил И-97 по боевой живучести, обладал более прочной конструкцией, лучшими пикирующими свойствами, до высоты 5 км имел превосходство в скорости и скороподъемности, но уступал в маневренности. В целом японские самолеты оказались серьезными противниками.
К 1941 г. И-16 окончательно устарел, но именно ему пришлось вынести основную тяжесть воздушных боев начального периода Великой Отечественной войны. Хорошо освоенные летным и техническим составом, И-16, особенно с пушечным вооружением, в опытных руках были достаточно грозным оружием. Именно на них многие известные летчики одержали свои первые победы. На этих машинах воевал и истребительный авиаполк, ставший первым Гвардейским. По статистике командования ВВС, летом 1942 г. чисто боевые потери на один самолето-вылет на И-16 были даже несколько ниже, чем на Як-1. Но ввиду изношенности матчасти на И-16 было много потерь во внебоевой обстановке. Поэтому в порядке возрастания потерь самолеты располагались так: Як-1, И-16, МиГ-3, И-153, ЛаГГ-3 и т.д.
О боевом применении "ишаков", которые состояли на вооружении вплоть до 1943 г., рассказывают многие книги и статьи. Редко какое историческое исследование, посвященное Великой Отечественной войне и ей предшествующим конфликтам, обошлось без хотя бы упоминания об этом знаменитом истребителе.
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-iSO, 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).
Всего, учитывая и нереализованные проекты, существовало более 50 модификаций И-16. Среди них: И-16М с размахом крыла 10 м, И-16 М-64. И-16 М-58, И-16 "Гном-Рон К-9", И-16 Тном-Рон 14К", И-16ГК, И-161, И-162.И-163. И-164*, И-165, И-166, И-167, Последние проекты предусматривали установку перспективных двигателей, и именно от них берет начало И-180. Так, к примеру, на И-164-1 планировали установку М-25Е и М-62, а И-164-И двигателя М-88.
* Республиканцы называли И-16 "Моска" (мушка), а фашисты прозвали за подвижность и агрессивность "Рата" (крыса).
8. И-16 тип 10 с ТК, 1939 г.
9. И-16 тип 17, 1938 г.
10. И-16 тип 18, 1939 г.
12. Серийный И-16 тип 24, 1939 г.
13. И-16 тип 27, 1939 г.
14. И-16 тип 28, 1939 г.
11. Один из опытных И-16 тип 24, 1939 г.
И-180Работая 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 Тном-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-Н с М-88**, 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.