Одним из наиболее эффектных боевых эпизодов в небе Монголии явилось применение советской стороной ракетного оружия. 20-го августа 1939 года пятерка истребителей И-16, оснащенная подкрыльевыми установками реактивных снарядов РС-82 в небе над участком между рекой Халхин-Гол и местечком Хамар Даба встретила группу японских бомбардировщиков в охранении истребителей И-97. Не вступая в боевой контакте противником. И-16 выпустили реактивные снаряды, оснащенные дистанционными взрывателями. Результат был великолепен! 2 истребителя были уничтожены, а остальные японские самолеты сочли необходимым как можно скорее отправиться домой. Группой И-16, оснащенных ракетами, командовал летчик НИИ ВВС, капитан Звонарев[•Звонарев занимался испытаниями вооружения самолетов и начинал еще в спецбригадс Томаса Сузи, практикуясь в стрельбе из ДРП Курчсвского над тихим Плещеевым озером, что 200 км к северу от Москвы.]. Всего с 20-го августа по 15-е сентября 1939 года эта спецгруппа совершила 85 боевых вылетов, уничтожив при этом 13 японских самолетов. Кстати японцы весьма заинтересовались чудо оружием, однако единственное что они могли потрогать руками, это обломки своих сбитых самолетов. По характеру повреждений они решили, что хитроумные русские каким то образом сумели поставить на истребители 76 мм пушки.
В боевых действиях в Монголии И-16, наверное в последний раз, оказался на высоте положения. Основные противники — японские истребители И-96 и И-97 — хотя и были практически равны по своим боевым возможностям, однако всегда оставляли пилоту И-16 небольшое преимущество в скорости и особенно скороподъемности. Естественно, японские машины по традиции интересовали советских специалистов. Поэтому с первых дней за новым истребителем И-97 была начата охота, которая увенчалась успехом пары И-16. И-97, хотя и достался со слегка «помятыми боками» — однако явился ценным трофеем и был отправлен для исследования в Москву.
Первоначальное количество И-16 в Монголии, в мае 1939 года составило 76 машин, в основном это был тип 5. В ходе боевых действий поступали в основном тип 10 и тип 17, в августе общее количество составило 200 машин. Всего в конфликте приняло участие 311 истребителей И-16.
Во второй половине лета началось применение И-16, оснащенных двигателем М-62 — впоследствии такие машины стали обозначаться как тип 18.
М-62, обладая большой мощностью и высотностью, мог устанавливаться вместо двигателя М-25 практически без переделок. Его максимальный диаметр, равный 1375 мм. всего на 10 мм превышал диаметр предшественника, а гнезда крепления моторами были тождественными.
Damaged I-16 type 10 flown by V.Skabarikhin after crush-attack on Japanese Ki-27.
Below: Japaneze Ki-27 downed by V.Skabarikhin.
Идея такой установки возникла в действующих частях, когда в июле на фронт прибыли новейшие бипланы — истребители И-153 «Чайка», оснащенные М-62. Поступившие запасные комплекты двигателей «чаек» и послужили толчком для установки их на И-16. Испытания первой машины с новым мотором показали, что летные данные значительно возросли. ВВС немедленно, на своем уровне начали переделку еще трех экземпляров в мастерских Московского военного округа. Присуждать военным лавры первенства в вопросе установки нового двигателя однако не стоит, ибо завод №21 к тому времени так же провел подобную работу. Сначала капитально восстановили и модернизировали 134 И-16 старых выпусков, которые немедленно отправились в Монголию. Параллельно шесть машин тип 10 были переделаны в тип 18 путем установки М-62 и также отправились на фронт. Следующим этапом для завода стал И-16 с еще более мощным двигателем М-63. Этот самолет в четырехпулеметном варианте стал называться тип 24. Хотя установка М-62 и М-63 тормозилась отсутствием достаточного количества воздушных винтов переменного шага и некоторых агрегатов — тип 18 и тип 24 постройки завода №21 успели принять участие в заключительной фазе войны в Монголии.
Еще не смолкли последние залпы на Востоке, когда часть пилотов вместе со своими верными «ишачками» была переброшена в Белоруссию, к польской границе. Начавшееся здесь 17-го сентября продвижение Красной Армии по польской территории встретило лишь номинальное сопротивление. И-16 здесь не пришлось собирать свою победную жатву...
7 ноября 1939 года две пятерки И-16 ведомые героями летных боев Кравченко и Лакеевым с оглушительным ревом пронеслись над Красной площадью Москвы и скрылись в облаках. Это была, пожалуй, самая вершина расцвета популярности истребителя. Начавшаяся вскоре «зимняя» война с Финляндией, которая продлилась до марта 1940 года, была явно неудачной как для Красной Армии, так и для ее основного истребителя И-16.