Следует отметить, что еще в конце 1934 года конструкторская группа Поликарпова, оптимально соединив воедино высокие технические данные одного из лучших в то время зарубежных двигателей жидкостного охлаждения «Испано-Сюиза» и прекрасную аэродинамику планера, выпустила еще один скоростной истребитель-моноплан И-17 с расчетной скоростью 500 км/ч. Однако досадные ошибки, допущенные при проектировании, и неприятности во время летных испытаний не позволили запустить ее в серийное производство, несмотря на то что работы по доводке нескольких экземпляров машины продолжались около четырех лет. Тем не менее на нем впервые в СССР применили и изучили схему скоростного моноплана с пушкой, стреляющей через полый вал редуктора двигателя.
Развернувшиеся в бригаде Ильюшина сразу после майского праздника работы по скоростному истребителю И-21, имевшему заводское обозначение ЦКБ-32, велись в двух направлениях и были четко сформулированы главным конструктором в его объяснительной записке к эскизному проекту:
«Мы считаем, что боевой истребитель имеет полноценность только в том случае, если его большая скорость дополнена двумя не менее важными данными: вооруженностью и эксплуатационной надежностью».
Вооружение И-21 по тем временам было мощным. Одновременно разрабатывалось два варианта оружия, один из которых предусматривал установку четырех пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм в крыле вне зоны, ометаемой винтом, с боезапасом по 500 патронов на ствол. В перегрузочных вариантах на самолете допускалось размещение радиостанции и четырех бомб калибра 10 кг или двух выливных авиационных приборов ВАП-6 или четырех бомб калибра 25 кг. Во втором варианте самолет комплектовался двумя крыльевыми пушками ШВАК с боезапасом по 125 патронов на каждую. Дополнительно в перегрузочных вариантах могли размещаться радиостанция или еще 150 патронов. Стрелковое и пушечное вооружение проектировалось таким образом, чтобы обеспечить наикратчайший путь боеприпасов от самой дальней точки патронных ящиков до приемника оружия. На И-21 этот путь не превышал 1,15 метра. Такой подход к проектированию стрелково-пушечных установок гарантировал их безотказную работу и не снижал темпа стрельбы. При проектировании выяснилось, что для боевого истребителя достижение скорости 600 км/ч возможно только с использованием мотора М-34ФРН при условии внесения в него целого ряда существенных изменений. Во-первых, требовалось уменьшить площадь его миделя, во-вторых, осуществить доработки, позволявшие получить нормальную центровку самолета. Дело в том, что М-34 создавался для тяжелых машин и имел довольно значительную массу. При установке его на небольшой одноместный истребитель возникали трудности с центровкой.
По просьбе Ильюшина моторостроительный завод № 24 выпустил всю необходимую конструкторскую документацию и обязался передать заводу № 39 два специальных модифицированных двигателя мощностью 1275 л.с. на высоте 2200 м. На них предусматривалось поменять местами бензо– и водонасосы топливной и охладительной систем, сдвинуть маслоотстойник на 150 мм назад, изменить местоположение динамо, на 200 мм удлинить носок картера и сделать скос на его передней нижней части, установив редуктор без понижения оборотов. Одновременно требовалось пропустить через картер герметичную стальную трубу квадратного сечения для прохода переднего лонжерона крыла и обеспечить работу первого мотора на пароводяном (испарительном) охлаждении. Для этого установить две помпы для откачки сконденсированного пара, а второй – подготовить для работы с этиленгликолевым охлаждением. Срок передачи двигателей устанавливался 1 января и 1 декабря 1936 года.
Выбирая для самолета этот мотор, конструкторы учитывали не только его технические характеристики. Принятое решение Ильюшин обосновал следующим образом:
«До настоящего времени для улучшения летных данных наших боевых самолетов мы вынуждены были применять моторы иностранных конструкций («Испано-Сюиза», «Райт-Циклон», «Гном-Рон» и др.), и таким образом, один из главнейших элементов, определяющих самолет, был иностранным. В данный момент и этот последний элемент является советской конструкции и советского производства, при этом, что чрезвычайно важно, он по своим техническим данным стоит выше, чем любой иностранный мотор. Таким образом, мы имеем в нашей стране все необходимые и достаточные технические элементы для создания боевых самолетов, по своим данным стоящих выше заграничных. Ни с какими другими моторами нельзя получить такой скорости для боевого истребителя».