Двухместный штурмовик ХАИ-51 внешне напоминал Р-10, но оснащался двигателем М-62 мощностью 850 л.с. с двухлопастным металлическим винтом ВИШ-26. Крыло было деревянным с металлическим лонжероном. Фанерная обшивка крепилась к лонжерону через фанерную ленту, которая в свою очередь приклепывалась к полкам лонжерона. В крыле размещались деревянные бензобаки, пропитанные бакелитовым лаком. Запас топлива был рассчитан на дальность 1000 км. На крыле установили мощные щитки-закрылки. Для уборки-выпуска шасси самолет оснастили электрогидравлической системой.
На штурмовике был оборудован достаточно вместительный бомбоотсек, где на продольной балке размещались четыре 100-кг авиабомбы. Также в фюзеляже имелся отсек для расположения аэрофотоаппарата АФА-19 и радиостанции РСР. Стрелковое вооружение включало 4 крыльевых ШКАСа с боезапасом по 500 выстрелов на ствол и оборонительную установку с таким же пулеметом, размещенным на турели МВ-5.
В июне 1938 г. состоялась выкатка ХАИ-51. Начались наземные испытания, которые затянулись на два месяца. Уж очень много мороки доставил «сырой» двигатель. В конечном итоге, в августе того же года летчик-испытатель Б.Н. Кудрин поднял машину в воздух. Он выполнил 32 испытательных полета, в ходе которых снимались флаттерные и скоростные характеристики. Была зафиксирована максимальная скорость 440 км/ч. А затем М-62 полностью «скис». Новый двигатель Москва провинциальному заводу не спешила передавать. Заводские испытания завершили с менее мощным, но надежным М-25В.
Тем не менее, ХАИ-51 так и не попал, из-за отсутствия подходящего двигателя, на Госиспытания. Поэтому победа в конкурсе досталась другим – АНТ-51 конструкции П.О. Сухого.
Не сложилось и с ХАИ-52. Машина по конструкции почти не отличалась от предшественника. Правда, лонжероны были выполнены из кавказского бамбука. Так же предусматривалась установка более мощного двигателя – М-63 в 930 л.с. с винтом ВИШ-28. Весьма мощным проектировалось вооружение – 7 пулеметов: 4 крыльевых, 2 синхронных и 1 оборонительный. В дополнение к внутренним узлам подвески бомб задумывались еще и подкрыльевые с замками Дер-31.
Проект настолько понравился руководству страны и НКАП (несмотря на то, что конструктор – враг народа!), что в январе 1939 г. ХАИ-52 решили запустить в серию еще до начала не то что Государственных, но и заводских испытаний.
Выкатка первого опытного экземпляра состоялась 15 марта 1939 г. Надо сказать, что двигателя М-63 так и не дождались, поэтому поставили на ХАИ-52 реконструированный М-62, ранее работавший на ХАИ-51.
Первый полет нового самолета состоялся 6 апреля 1939 г. В воздух его поднял летчик-испытатель заводского военпредства п-к Дарский. Машина оставила позитивное впечатление. Вскоре удалось получить скорость у земли 350 км/ч, на высоте 4000 м – 400 км/ч.
Представитель НКАП Семенов докладывал руководству: «Эта машина с мотором М-63 вполне современна, а если на ней установить турбокомпрессор, то в 1940 г. ВВС могли бы иметь на вооружении машину, которой еще нет на вооружении наших вероятных противников».
Казалось бы, черная полоса для харьковчан минула, но в конце месяца из НКАП пришло указание немедленно «…снять с производства самолет вредителя Немана ХАИ-52». Гром среди ясного неба!
По большому счету, дело было не в Немане. Просто, Сталин уже сделал выбор в пользу АНТ-51, который пусть и имел несколько худшие характеристики, однако был более прост по конструкции и лучше подходил для массового производства. Действительно, один кавказский бамбук для лонжеронов ХАИ-52 чего стоил!
После этого решения А.А. Дубровин психанул, отказался от должности главного конструктора и уехал в Москву. Руководство же работами по тематике было поручено инженеру И.П. Жиганову. Харьковчане не знали еще об окончательном выборе вождя и решили не сдаваться, а заняться дальнейшими доводками и испытаниями машины. В Москву поехали «ходоки», которые в коридорах власти отстаивали право на жизнь детища завода.
Начало мая 1939 г. выглядело оптимистическим. В ходе продолжавшихся испытательных полетов при полном взлетном весе удалось достичь скорости 374 км/ч у земли и 410 км/ч – на высоте 4500 м. Время набора высоты 5000 м составило 16 мин.
Самолет стали готовить к перелету в НИИ ВВС. Однако накануне вылета заболел Б.Н. Кудрин, который должен был перегонять машину. Тогда эту задачу поручили военпреду м-ру Индюшкину. Совершая 18 мая ознакомительный полет, он при заходе на посадку допустил сильный крен. Машина зацепила крылом за землю, рухнула на полосу и получила серьезные повреждения.
Два месяца длился ремонт. За это время харьковчане провели доработки конструкции. Например, были увеличены площадь и размах крыла. Наконец-то из Молотова (Перми), с завода № 19, пришел двигатель М-63 с винтом ВИШ-28.