Поликарпов считал возможным несколько улучшить аэродинамику самолета заменой полотняной обшивки на фанерную. Летом 1939 г. на И-16 заводской номер 1721103 установили фанерную обшивку толщиной 2,5 мм. аналогичную процедуру провели с И-16 тип 24. Последний на испытаниях в НИИ ВВС достиг скорости 489 км/ч, больше, чем серийные истребители. Однако прирост скорости был связан скорее с установкой двигателя М-63, хотя и гладкая обшивка внесла свой вклад. Рекомендация о внедрении новой обшивки в серийное производство реализована не была.
Серия испытаний, проведенная в 1939 г., показала — улучшить характеристики И-16 как истребителя невозможно. Однако стоит попробовать добиться лучших пикирующих свойств самолета. Для этого следовало стабилизатор устанавливать с небольшим положительным углом атаки. Исследования показали, что комбинация задней центровки и нейтральной установки стабилизатора создавала слишком большие усилия на ручке при переводе летчиком самолета в пикирование. На истребителей первых серий этот недостаток проявлялся не так явно, поскольку они не имели бронеспинок, аккумуляторных батарей, радиостанций, проще говоря — у них центр тяжести находился ближе к носовой части, чем у И-16 поздних выпусков, на которых центр тяжести находился на 35 % длины средней аэродинамической хорды крыла. Испытания, проведенные в 1939 г., показали, что зона неустойчивости самолета на режиме пикирования с убранным шасси начинается при смещении центра тяжести на 32–33 % длины средней аэродинамической хорды крыла. Летчик-испытатель капитан Хабаровский разбился на И-16 заводской номер 1021101 когда центровка самолета составляла 33,6 % САХ. В результате было принято решение ограничить центровку строевых истребителей значением 33 % САХ. Неустойчивость по тангажу на И-16 преодолеть так и не удалось, самолет оставался неустойчивой платформой для ведения прицельной стрельбы. Проблема заключалась в изначально неверном распределении массы планера.
В 1939 г. летчик-испытатель Станкевич отлетал на И- программу по теме ЦАГИ «Определение усилий на ручке управления, педалях и рулях». Станкевич писал в отчете:
— Самолет нестабилен, усилия на ручке составляют 4–5 кг при отклонении ручки вперед, поддерживать крейсерскую скорость полета постоянной, не прибегая к изменению числа оборотов двигателя, крайне утомительно для летчика. Выполнение фигур высшего пилотажа затруднено. С выпуском посадочных щитков устойчивость по каналу тангажа ухудшается, от летчика требуется прилагать к ручке большие усилия. Выпуск щитков провоцирует самолет к опрокидыванию на хвост, из-за чего приходится отдавать ручку от себя, что в свою очередь способствует переходу самолета в пикирование. При выходе на большие углы атаки неустойчивость проявляется внезапно. На взлете самолет хвост отрывает неохотно, иногда чтобы оторвать хвост приходится давать ручку от себя. В наборе высоты с постоянным углом тангажа самолет имеет тенденцию к сваливанию вправо, в этом случае парировать правый крен элеронами не всегда возможно.
Несмотря на многочисленные отрицательные отзывы и несоответствие летных характеристик И-16 характеристикам новейших зарубежных истребителей, правительство приняло решение продолжить в 1940 г. серийный выпуск самолета. В 1940 г. выпуск И-16 достиг своего пика, хотя завод № 21 готовился к освоению И-180.
В 1940 г. завод № 21 выпускал следующие модели истребителей И-16:
Тип 18 М-62 с подвесными баками (ПБ)
Тип 24 М-63 без ПБ
Тип 24 М-63 с реактивными снарядами (PC)
Тип 24 М-63 с РС и ПБ
Тип 24 М-63 с ПБ и радиостанцией РСИ-3
Тип 24 М-63 с PC и радиостанцией РСИ-3
Тип 24 М-62 с ПБ
Тип 28 М-63 с ПБ
Тип 28 М-63 без ПБ
Тип 28 М-63 с ПБ РСИ-3
Тип 15 М-25В (УТИ-4)
Начиная со второй половины 1940 г. весь этот винегрет уступил место одной модели — истребителю И-16 тип 29. В последней модификации И-16 нашли отражения все усилия оружейников по отработке наилучшего варианта вооружения самолета. Тип 29 был оснащен двумя ШКАСами, смонтированными над двигателем, и двумя пулеметами БС калибра 12,7 мм, установленными в нижней части фюзеляжа между нишами шасси. Все пулеметы — синхронные. В крыле И-16 тип 29 вооружение не устанавливалось, но под плоскостями предусматривалась возможность монтажа шести направляющих для реактивных снарядов РС-82 или пилонов для двух подвесных топливных баков.
Всего в 1940 г. было изготовлено 2210 истребителей И-16 всех модификаций:
Тип 18/24 — 760
Тип 28 — 277
Тип25(И-180) — 1
Тип 29 — 570
Тип 15 (УТИ-4) — 600
В общее число не включены два истребителя И-16 тип 29, предназначенных для статических испытаний на прочность. Кроме того, 125 самолетов не приняла военная приемка: 45 И-16 тип 15 и 80 И-16 тип 29. Эти истребители включили в производственный план 1941 г. Помимо самолетов, 21-й завод изготовил 7590 дополнительных топливных баков из фибры и 294 полевых модернизационных комплекта, позволяющих конверсировать И-16 тип 10 в И-16 тип 18 путем установки двигателя М-62. На самолеты было установлено 165 приемо-передающих радиостанций РСИ-3, предназначенных для связи с землей.