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  本機在1933年首飛由當時蘇聯最著名設計師尼古拉·尼古拉耶維奇·波利卡爾波夫設計,是世界上第一款無張線的低單翼硬殼結構戰鬥機,並率先使用收入翼下的收放式起落架和變距螺旋槳等新的飛機技術。  I-16是波利卡波夫於第三十九設計局(暱稱監獄設計局)在完成I-5後,依據當時流行的設計理念,機身由一戰式帆布蒙皮結構演進為木製硬殼結構,加強的機身需要縮短以維持重量,設計出I-15,為當時細小的硬殼機身裝上大馬力的發動機的典型設計。後又在I-15基礎上創造性地發展出I-16。以加強的單翼,率先摒棄了當時下單翼機如波音P-26(金屬半硬殼,為多國所仿製,亦是堀越二郎首作的原型)的張線增強方式。本機機身粗短的低單翼鋁木混合質硬殼結構,機身後段為短小的圓筒形木製夾板製成,機翼的前後翼樑為鋼管,翼前部蒙皮和翼肋為鋁合金而翼後部為帆布,使用開放式座艙和收放式後三點起落架,其起落架為手搖式,起飛後由飛行員逆時針搖動座艙右側手柄44圈才能收入機翼內,而當降落時則要順時針搖動44圈;因放起落架時初時會在地心吸力之下放下來,有飛行員就鬆開手柄任其自由旋轉,但要小心不要被飛轉動中的手柄打中手臂,待起落架放下大半後,還需手動繼續搖動以使起落架完全張開。初期I-16的尾起落架是一條用鐵造的支柱而非尾輪,其作用是當飛機降落時可藉助和地面之間的摩擦力而提早把飛機停止,而當飛機起飛時也較易保持直線前進,不過後來都改為尾輪,I-16首創了裝甲座艙(在座位後方有一塊防彈鋼板)而且其座艙原本是封閉式,但因飛行員習慣用開放式座艙而且I-16的駕駛艙後部有盲區(要把頭部伸出才能看到後方),故私自把座艙罩拆下來。  I-16原規劃引進美國SR-1820-F3「旋風」風冷式發動機(700匹馬力),但什韋佐夫發動機設計局當時尚未達成授權共識,因此只能先用M-22發動機(英國布里斯托木星引擎授權版,輸出動力480匹馬力)頂替,雖然效能不夠出眾,但也達成了極速300公里以上的飛行表現,差強人意。引擎問題直到1935年7月推出I-16-5型,正式讓R-1820授權版M-25A發動機裝機後才解決,I-16-5在當時試飛創下時速395公里的表現,為當時戰鬥機的頂尖。  駕駛I-16進行起飛和降落皆非易事,除了如同期的寇蒂斯Hawk III(收入機身)均為手搖式,起飛時要搞動那手柄去收起起落架,而當降落時由於I-16的起落架避震不良,經常在跑道上不停彈跳,故要多接受在I-16-UTI教練機上練習去掌握技巧。I-16的操縱翼面皆無配平,若在飛行時發現機身不平衡也祇能用飛行員自己的氣力去平衡機身,等到落地後才能告知地勤機械士做調整,這也是當時各國飛機的普遍情況。

  雖然本機系列各亞型外觀相似,唯最後期型使用可以緊閉的防彈玻璃座艙罩。但因為發動機的進步,使到各亞型號的效能和武裝分別很大的。

  在1936年爆發的西班牙內戰,和1937年的爆發中日戰爭,本機被實戰試驗,並起初只由蘇聯航空志願隊駕駛,直到二戰之初的蘇日在諾門罕戰役武裝衝突中,都有很好的戰果。  在因為當時飛行員還是以一戰的經驗作戰術指導思想下,而且同期軸心國空軍主力還是雙翼機,包括德國的He 51戰鬥機和義大利的CR.32戰鬥機還有日本的九五式戰鬥機,所以起初伊-16戰績輝煌並使蘇聯突然躋身航空先進國的地位,但客觀反刺激了軸心國研究適應新時代空戰的戰術和飛機,例如: 在西班牙內戰當中,當I-16被He 51雙翼戰鬥機咬尾,I-16的飛行員祇要開大油門並向下俯衝就可以及時離開He 51的機槍攻擊範圍而令He 51的飛行員無可奈何,這點令速度更快的Bf 109B更受重用,但I-16仍比未裝備計劃中發動機的Bf 109B快16公里/小時,這點令德國人加緊對Bf 109的改良,I-16在諾門罕戰役當中首次使用RS-75空對空火箭彈擊落日機,這也令德國人進行空對空火箭彈的研製工作。  而且在大清洗時代使空軍人員報喜不報憂的影響下,波利卡波夫多次因原型機試飛事故受到指控,而多次受斯大林本人下令保護不得追究,大大推遲了本機的進一步改良和後繼機的開發,後繼機伊-185開發緩慢設計保守,使到中期型的本機和伊-15一直生產到二戰開始時。直至蘇聯廣泛鼓勵年輕設計師擔當重任,成立了一系列新的設計局,其中原在波利卡波夫設計局工作的米高揚和格列維奇亦脫隊,於1939年成立了自己的“米高揚-格列維奇”即米格設計局。  到了蘇芬戰爭中,因為保衛祖國的芬蘭人奮力抵抗,和以適應新時代的空戰戰術思想指導下,蘇聯軍方才認識到本機開始過時,從而在改良本機的同時開發新一代的戰鬥機:雅克-1戰鬥機、米格-3戰鬥機和拉格-3戰鬥機。  到蘇德戰爭初期,本機仍佔蘇聯戰鬥機約七成,在面對針對新時代空戰戰術不斷升級的Bf 109F/G型和Fw 190前,即使是本機的最後期第二十四型仍然被打得慘敗了。而在以前援華的早期型伊-16,更幾乎被日本的零式戰鬥機和一式戰鬥機消滅殆盡。  可是即使在蘇聯新的主力戰鬥機雅克-9和拉-5大量服役後,殘存的伊-16仍然被改造成教練機和攻擊機使用直到1943年為止。

  1937年(民國26年)7月7日中日戰爭爆發,8月21日,國民政府和蘇聯簽訂「中蘇互不侵犯條約」。蘇聯決定提供低利貸款額度給中華民國,中華民國則利用這些額度向蘇聯購買武器對抗日軍,債務則以礦產和稀有物資等清償,價格為蘇軍採購價,較當時法意英藉機抬價的加急國際現貨低廉很多。戰鬥機部分,1937年蘇聯決定提供142架I-16-5、I-16-10、8架I-16-UTI給中國;1941年再提供75架I-16-17型,這些I-16皆用貨車散裝運到哈密或蘭州再組裝。當時蘇聯雖然決定供應中國武器,但初期生產不及,部分由現役裝備翻修而來,並由蘇聯志願航空隊操作,以便儘快對日作戰。蘇聯志願者駕駛這些飛機於1937年11月22日在南京首戰,擊落三等航空兵“宮崎康治”駕駛的三菱九六式艦上戰鬥機1架,24歲的蘇聯空軍中尉“涅日丹諾夫•尼古拉•尼基福羅維奇”駕駛的I-16戰鬥機1架被擊落,兩人均陣亡。  I-16初到中國是在淞滬會戰國軍失利而首都南京面臨日軍兵臨城下之際,11月21日,前去接收I-16的中國空軍高志航大隊長在周家口機場遭10架突然出現的日軍九六式陸上攻擊機轟炸,“高志航”大隊長試圖緊急起飛迎戰未及,於跑道上被炸身亡。11月22日蘇聯志願航空隊駕I-16於南京首戰,日本及駐南京歐美各國均有報道,日方報稱,在南京上空受“從沒有見過的型號”的戰鬥機阻擊,遇到的戰鬥機造型是“低翼單葉、縮排去的滑輪”。“陳納德”當時在南京做空軍顧問,他後來在回憶錄中提到,他平生見過的兩次最精彩的空戰之一,就是此日於南京上空目睹。同年12月已有17架I-16-6進駐南京,由於中國飛行員尚需適應訓練,因此主要由11名蘇聯飛行員駕駛作戰。  12月3日,後任國民革命軍空軍總司令部政治作戰部中將主任的“董明德”,和中國空軍“四大飛將”之一“樂以琴”,兩人與蘇聯航空志願隊一同駕駛I-16在南京上空和日機展開南京失陷前的最後一次空戰。當天日軍出動8架九六式艦上攻擊機和6架九六式艦載戰鬥機,包括日本航空兵“四大天王”之一,海航的“南鄉茂章”。中方多架飛機被擊落而日方無一損失,樂以琴低空跳傘未成陣亡,蘇聯飛行員亦有數人陣亡。  1938年(民國27年)後中國飛行員漸漸熟習I-16的操作,蘇聯飛行員漸服水土,故戰果與日軍較接近。中蘇飛行員在南昌和武漢上空和日機激戰,2月18日,12架日軍轟炸機在26架戰鬥機護航之下進犯武漢,中國空軍第4大隊29架戰機起飛,結果在10分鐘的空戰當中日機被擊落12架而中方祇損失5架,這是抗戰以來國軍飛行員第一次在一場空戰當中擊落10架日機以上而自己的損失又少於日軍,這是「第一次武漢大空戰」的勝利。4月29日為日本天長節,為了慶祝日本天皇生日,日軍出動42架飛機去空襲漢口,但慘被中蘇飛行員駕駛的I-16和I-15擊落26架而國軍祇損失12架,經此一伇,日機在一個多月內都不敢再來犯,史稱「第二次武漢大空戰」。5月31日,日軍又派出18架轟炸機和36架戰鬥機空襲武漢,而中蘇空軍總共48架的I-15和I-16早已在高空嚴陣以待,此戰即是「第三次武漢大空戰」,中蘇戰機向日機俯衝攻擊,隨即變成一百多架戰機的大混戰,此戰日機被擊落14架而中蘇空軍祇損失兩架。  1939年(民國28年)2月20日和23日發生蘭州空戰,中蘇飛行員總共擊落日軍18架義大利制BR.20轟炸機而自己無一損失,此謂「蘭州空戰大捷」。  1940年(民國29年)9月13日發生壁山空戰,中國空軍的I-16和I-15遭日軍新銳的零式艦上戰鬥機擊落13架、擊傷11架,這場慘敗讓中國空軍不論在實力或象徵意義上都失去了制空權,這一劣勢直至珍珠港事變後獲得美援才得以扭轉。

  本機相信是在老一輩非社會主義的國家人民中最熟悉的戰時蘇式飛機,其曾經參與西班牙內戰和中日戰爭,還有叫「老鼠」和「蒼蠅」等渾名。  本機雖然在二戰開戰時已經開始落伍,但很多創新的設計,刺激了三十年代的航空界競爭。  真正值得爭議的地方有兩處:  首先以木材而不是金屬構成的機體,常被誤解為落伍,但對於當時理解是木材已經達到要求的情形下不必浪費硬鋁,可是其他國家同期同級的機型不使用木材,原因是缺乏蘇聯盛產的優質木材,所以不得不選擇鋁材,故本機是完全為了國情的條件而設計。如同1935年首飛的英國颶風戰鬥機機身採用了金屬框架帆布蒙皮,併成為不列顛空戰的主力,亦是根據國情,而被實戰證明有效的設計。  另一問題是本機似雙翼機機體的單翼機造型,由設計較成熟的雙翼I-15發展而來,較Bf 109等一開始就以單翼機設計的機型不穩定,雖然靈活性較高,但需要較熟練的飛行員來駕駛。
伊-16(玻利卡爾波夫I-16),是蘇聯在1930年代初期開發的戰鬥機,也是全世界第一款服役備有可收式起落架之下單翼懸臂式戰鬥機,它的出現刺激了各國研發新型戰機的風潮。