Согласно плану, завод № 21 уже в 1934 г. должен был собрать 225 новых самолетов. Поскольку И-16 и уже выпускавшийся И-5 технологически никак не были связаны, перестройка производства проходила болезненно. Сказывалась острая нехватка рабочей силы. Недобор технических рабочих к концу 34-го года составлял 825 человек, ИТР — около 100 человек. В итоге в Горьком удалось изготовить только 41 И-16, при этом почти половина машин оказалась негодной к эксплуатации. [264 — ГУ ЦАНО, Ф. 2066, Оп. 9, Д. 68, Л. 17.] Московский же авиазавод № 39 сдал 50 машин.
В марте 1934 г. в НИИ ВВС РККА были проведены государственные испытания И-16 с 9-цилиндровым мотором М-22 мощностью 480 л.с. Полеты выполняли летчики Коккинаки и Чкалов. Самолет показал максимальную скорость 359 км/ч, на высоте 3000 метров — 339 км/ч, а на высоте 5000 метров — 325 км/ч. Удалось достичь потолка 7180 м. По скоростным качествам истребителя госкомиссия сделала следующие выводы: «Благодаря хорошим аэродинамическим формам и убирающимся шасси, И-16 уступает по скорости на высоте 5000 м. немногим серийным истребителям, состоящим на вооружении иностранных воздушных флотов, превосходя их по скорости до высоты 2000 м, и уступая в потолке и скороподъемности». [265 — Там же, Д. 21, Л. 24.]
Испытывался и лыжный вариант И-16. При этом он показал максимальную скорость 351 км/ч и потолок в 7200 м. Было сделано предположение, что при установке мотора М-25 («Райт-Циклон» F-3) самолет будет превосходить импортные аналоги. 19 июня 1934 г. Горьковский авиационный завод получил приказ ГУАП в кратчайшие сроки внедрить И-16. [266 — Там же, Д. 68, Л. 34.] В сентябре И-16 еще раз прошел государственные испытания, но теперь уже с мотором М-25. На этот раз была показана максимальная скорость у земли 395 км/ч. Впоследствии этот вариант истребителя — так называемый тип 5 — стал самым массовым.
В то же время в ходе эксплуатации в войсках выявлялись все новые недостатки и дефекты машин, участились аварии. Так, 2 июня 1936 г. летчик Соколов из 34-й истребительной авиаэскадрильи совершал полет на И-16 зав. № 52135. Во время выполнения пикирования с высоты 5000 метров он увидел, что у него под сиденьем горит бензин. Пилот сразу открыл фонарь, и его выбросило из кабины. Горящий же самолет, продолжая пикировать, врезался в землю. Комиссия определила причиной аварии сдвиг бензобака и нарушение его герметизации. После этого случая командир 34-й ИАЭ Чивель, осмотрев остальные самолеты, обнаружил на них 15 дефектов, опасных для полетов, и 42 дефекта, снижающих боеспособность истребителей.
4 июля того же года в районе аэродрома Бочкарево пилот Гадзалов совершал полет на И-16 зав. № 421119. При выходе из переворота на истребителе загорелся мотор. Летчик выпрыгнул на парашюте. Причина аварии — дефект карбюратора. [267 — ГУ ЦАНО, Ф. 2066, Оп. 9, Д. 171, Л. 42.]
Тем временем в 1936 г. в производство был запущен И-16 тип 10 с двигателем М-25В.
Боевое крещение «Райт Циклоны» и «БМВ» получили во время гражданской войны в Испании.
В ноябре 1936 г. в республиканские ВВС поступила первая партия из 31 И-16 тип 5. 12 ноября «крысы», как их вскоре прозвали франкисты, впервые появились в небе над Мадридом, а на следующий день приняли первый воздушный бой. 7 мая 1937 г. в Испанию прибыла вторая партия из 31 истребителя, а 21 мая — еще 17 И-16 и четыре УТИ-4.
Самолеты показали низкую надежность, уже в первое время несколько машин потерпели катастрофы из-за дефекта крыла. [268 — Маслов М. Истребитель И-16. М., Экспринт, 2005, с. 11–12.] Многие «ишаки» проходили по четыре-пять капремонтов. Правда, некоторые историографы И-16, в частности М. Маслов, наоборот, считают этот факт свидетельством «высокой выносливости» самолета. [269 — Там же.]
В 1938 г. в республиканские ВВС поступили первые И-16 тип 10, причем на двенадцати из них вскоре установили контрабандные американские высотные моторы «Wright Cyclone» SCR F-54. Всего же в Испанию поступили 276 истребителей И-16. Кроме того, Советский Союз поставил туда еще 155 И-15 — его братьев по «Райт Циклону».
BMW VI был в Испании представлен целой коллекцией немецких машин: Не-45Е, Не-51А, Не-51В, Не-59В-2, Не-60 и Не-70F. С советской стороны с этим двигателем туда были отправлены только 62 самолета-разведчика Р-5, из которых 36 впоследствии достались франкистам в качестве трофеев. Война показала, что моторы BMW VI, созданные еще в середине 20-х годов, окончательно устарели. Но и закат звездообразных авиационных двигателей тоже был не за горами.
Положение в авиапромышленности СССР в 1936–1937 гг. в целом было весьма напряженным. Так, в приказе по НКАП от 23 июня 1937 г. отмечалось, что на большинстве предприятий отрасли наблюдаются воровство, растраты государственных средств, завышение выработки на одного рабочего, искусственное занижение брака. Многие заводы ради формального выполнения плана вписывали в выпущенную продукцию 1936 г. часть изделий из программы следующего года и т. д. [270 — ГУ ЦАНО, Ф. 2066, Оп. 3, Д. 10, Л. 132.]