В мае 1939 г. в Монголии насчитывалось 76 истребителей И-16, главным образом И-16 тип 5. К августу количество «ишачков» возросло до двух сотен. причем теперь основу составляли самолеты модификаций тип 10 и тип 17. Всего же в конфликте приняло участие 311 истребителей И-16 всех типов.

Во второй половине лета на Халхин-Голе появились первые И-16 с двигателями М-62, позже получившие известность как И-16 тип 18. Конструкция самолета допускала замену двигателей М-25 на М-62 практически без доработок, так как диаметр нового мотора был всего на 10 мм больше, чем у предшественника, а узлы крепления к мотораме вообще остались без изменений. Мотор М-62 имел большую, чем М-25 мощность и лучшие характеристики на малых высотах.

Когда на фронте появились оснащенные двигателями М-62 истребители И-153 «Чайка», техники предложили поставить такие же моторы на И-16. Командование ВВС отреагировало быстро: в одном из подмосковных полков переоснащение прошли три истребителя. Такие же работы начались на заводе № 21.

И-16 с двигателем М-62 и турбокомпрессором ТК-1.

И-16 с двигателем М-62 и турбокомпрессором ТК-1 в цехе завода № 156.

Еще один снимок того же самого истребителя в заводском цеху.

Примерно 134 ранее выпущенных И-16. переоборудованных двигателями М-62, было доставлено в Монголию. Следующим шагом стала установка на истребитель И-16 еще более мощного двигателя М-63. В заключительных боях над Халхин-Голом успели принять участие истребители И-16 тип 18 и тип 24 постройки завода № 21. Часть самолетов была оснащена двигателями М-62, часть – М-63, некоторые имели вооружение из четырех пулеметов. Часть машин комплектовалось воздушными винтами изменяемого шага.

Еще до окончания конфликта в Монголии, несколько истребительных подразделений перебросили с Халхин Гола в Белорусиию, поближе к польской границе. 17 сентября Красная Армия выступила в освободительный поход, целью которого являлась присоединение к СССР западных районов Украины и Белоруссии. Польская армия оказала лишь символическое сопротивление. Летчики И-16, как не старались, не сумели одержать ни одной победы в воздушных боях – воздушных боев как-то не случилось. В красный день календаря 7 ноября 1939 г. над Красной площадью прошли две пятерки И-16 во главе с летчиками-асами Кравченко и Лакеевым. Маленький истребитель находился на пике своей популярности. Зимняя война с Финляндией притушила славу самолета И-16 в частности и ореол непобедимости Красной Армии в целом.

Очень суровая зима 1939-40 г.г. сильно осложняла работу летчиков, находившихся в открытых кабинах. Пилоты рассказывали, что в отдельных случаях они летали на пределе человеческих возможностей. Ручной привод уборки шасси и летом доставлял массу неудобств и требовал недюжинных физических усилий, что уж говорить о зиме…Нередко опоры шасси зависали в промежуточном положении – у пилотов просто не хватало сил докрутить штурвальчик. к тому же трос часто смерзался. В период Зимней войны на истребителях И-16 впервые массово использовались одноразовые дополнительные топливные баки. Баки проходили испытания в марте- апреле 1939 г., их первые образцы емкостью 100 л подвешивались под фюзеляжем и имели цилиндрическую форму. Результаты испытаний оказались неудовлетворительными: неудачная форма и место крепления сильно сдвигали назад центровку самолета и без Toi'o обладавшего ограниченным запасом устойчивости по тангажу. Положение исправилось после изготовления подкрыльевых баков, схожих с дополнительными баками японского истребителя «тип 97». Такие баки испытывались в июне-июле 1939 г. на И-16 с заводским номером 1021681. Эффект на сей раз был сугубо положительным. Самолет даже получил обозначение «тип 20» и был рекомендован для использования в качестве истребителя сопровождения. С подвешенными баками емкостью по 93 л истребитель сохранял возможность пикировать с углами 60 град., крутить виражи с креном до 80 град., но максимальная скорость снизилась на 21 км/ч.

До конца 1939 г. завод № 21 изготовил примерно 80 истребителей И-16. которые можно было оснастить дополнительными топливными баками. Начиная с января 1940 г. в строевых частях ВВС развернулась работа по доработке под монтаж дополнительных топливных баков на весь парк самолетов И-16. Каждый новый вышедший с завода истребитель комплектовался шестью одноразовыми дополнительными топливными баками. До 1 апреля 1940 г. промышленность передала ВВС порядка 1000 одноразовых баков.

Начиная с 1938 г. широким фронтом велись работы по созданию протектированных топливных баков. Наилучшие результаты давало покрытие из вулканизированной резины толщиной 2.5 мм в комбинации с 2,5-мм слоем обычной резины. В 1939 г. истребители И-16 получили протектированные топливные баки.

И-16 тип 29 с подвешенными реактивными снарядами РС-82 на испытаниях.

Истребитель И-16 с тактическим номером «64» совершил вынужденную посадку на территории, контролируемой финнами. Снимок сделан не в период Зимней войны, и в 1941 г.

После того как эффективность реактивных снарядов РС-82 была проверена в бою. начались работы по внедрению пусковых установок PC на серийные истребители. До конца 1939 г. завод сдал 31 самолет, оснащенный пусковыми установками реактивного оружия.

В течение четвертого квартала 1939 г. завод № 21 перешел на выпуск истребителей И-16 с двигателями М- 62 и М-63. Пулеметные машины тип 10 сменили самолеты И-16 тип 18 и тип 24. пушечные тип 17 – самолеты И-16 тип 27 и тип 28.

Комиссар эскадрильи Л. И. Яковенко сфотографирован в апреле 1940 г. на фоне истребителя И-16 тип 24.