«Он относился кнам-вольнонаёмным молодым инженерам, – как равный. Не гордился своей квалификацией. С другой стороны, и не лебезил перед нами- вольнонаёмными -как заключённый. Всё это невольно вызывало уважение к нему и желание работать с ним»,-вспоминал Дмитрий Людвигович.
В середине июля 1931 г. из заключения освободили Поликарпова и других инженеров.
В августе 1931 г. к ЦКБ присоединили и конструкторские коллективы ЦАГИ. Образовалось единственное в стране авиационное конструкторское бюро – громоздкая и плохо управляемая организация. Его начальником назначили С.В.Ильюшина.
Томашевича как специалиста, имеющего опыт в проектировании и организации серийного выпуска водяных радиаторов, направили в отдел силовых установок.
Внутренние склоки и противоречия раздирали коллектив ЦКБ. Напряженные отношения в руководстве ЦКБ и ЦАГИ не способствовали успешному завершению работ. Наконец, 13 января 1933 г. заместитель наркома тяжелой промышленности СССР и начальник Главного управления авиационной промышленности (ГУАП) П.И.Баранов издает приказ о формировании на заводе № 39 им. В.Р.Менжинского нового ЦКБ «для организации замкнутого цикла проектирования и производства легких самолетов».
Дмитрий Людвигович вспоминал: «Перед переездом Николай Николаевич подошел ко мне и предложил работать с ним. Я согласился, не оговаривая никаких условий».
Группа из 13 конструкторов во главе с Поликарповым 8 февраля 1933 г. появилась в ЦКБ. Очень быстро расставили столы и 9 февраля приступили к работе. С 13 февраля началось официальное зачисление сотрудников в штат организации. Дмитрий Людвигович Томашевич был назначен начальником группы крыла.
Начальник ЦКБ С.В.Ильюшин разделил коллектив на шесть бригад. Бригадой № 1, где проектировали штурмовики и самолеты-разведчики, руководил С.А.Кочеригин.
Бригаду № 2 возглавил Н.Н.Поликарпов, и основным направлением ее деятельности стали истребители.
Бригада № 3 первоначально занималась разработкой экспериментальных конструкций. Ее работой руководил В.А.Чижевский. Через некоторое время группу Чижевского перевели на Смоленский авиазавод, а реформированная бригада под руководством Ильюшина занялась дальними бомбардировщиками.
Бригада № 4 во главе с Я.И.Мальцевым проектировала вооружение. Бригада № 5 создавала морские самолеты под руководством Г.М.Бериева. Бригада № 6, возглавляемая П.М.Крейсоном, занималась статическими испытаниями.
С 15 февраля 1933 г. все бригады уже работали над плановыми заданиями. К середине мая бригада № 2 выпустила проект маневренного истребителя И-15 (ЦКБ-3) с мотором Райт «Циклон» SGR- 1820 F-3. Самолет-полутораплан с изогнутым верхним крылом типа «чайка» имел длину 6,1 метра, размах верхнего крыла составлял 9,75 метра, взлетный вес – 1340 кг. Вес самолета уменьшился в результате применения новых конструкционных материалов: хромомолибденовых труб, листового электрона. Профиль крыла Геттинген 436 (10% – на верхнем крыле и 12% – на нижнем).
Об атмосфере, царившей в конструкторском бюро, Дмитрий Людвигович писал в своих воспоминаниях:
Группа крыла бригады № 2 ОКБ И. И. Поликарпова (1935 г.) В первом ряду сидят: Д.Л.Томашевич (второй), Н.Н.Поликарпов (третий)
«Здесь я… не ощущал никакого давления. Просто говорил Николаю Николаевичу: «На таком-то самолете сделано так-то и, мне кажется, лучше, чем на таком-то», и обычно получал согласие или слушал сомнения в добротности конструкции, обоснованные технологически. Это заставляло и самого подумать еще раз, прежде чем принимать решение.
Если не было хороших образцов, то искали сами, делали образцы, испытывали. Так было и с нервюрами, которые удалось сделать простыми и надежными. И всегда получал немногословное и ненапыщенное одобрение. Свои предложения Николай Николаевич излагал в виде желания посоветоваться… Работу выполняли весело и напористо…
На И-15 было реализовано несколько моих изобретений и рацпредложений. Они были приняты Николаем Николаевичем как-то естественно, без грохота и без препон, как теперь часто бывает».
Центроплан «чайка» (в разработке которого активно участвовал Томашевич) уменьшал сопротивление, а также имел значительную подъемную силу, сравнимую с весом самолета. Это позволяло совершать горизонтальный полет с креном 90 градусов. Хорошая аэродинамика и специфичность схемы обуславливали отличные пилотажные качества И-15. Летчик-испытатель М.Л.Г аллай отзывался о машине так: «Это был очень легкий по весу, исключительно хорошо управляемый самолет, обладавший поразительной способностью устойчиво держаться в воздухе едва л и не в любом положении».
Первенец бригады № 2 появился на аэродроме в начале октября 1933 г. На киле ярко-красного самолета в центре белого круга была изображена звезда, а поверх ее выведены цифры «39» и надпись «ЦКБ-3». Испытания прошли успешно: И-15 был принят на вооружение ВВС СССР и в течение двух лет выпускался серийно. На опытном экземпляре ЦКБ-3, специально облегченном для этого полета, летчик Владимир Константинович Коккинаки 21 декабря 1935 г. установил мировой рекорд высоты, поднявшись на 14575 метров. Этот результат на 132 м превысил рекорд высоты, установленный в 1934 г. итальянским летчиком Р.Донатти на самолете «Caproni 14а».