Томашевич принимал участие в разработке многих модификаций этой машины: И-15 с винтом регулируемого в полете шага типа Гамильтон-Стандарт; И-15 с полукольцом NACA; И-15М (ЦКБ- ЗМ); ЦКБ-3 № 1 дублер; ЦКБ-ЗРВ («рекорд высоты») или ЦКБ-42; И-15 с гермокабиной CK-IV конструкции А.Я. Щербакова; И-15бис; И-153 и других. Из них И-15бис, И-153 строились большими сериями.
В 1933 г. началось проектирование истребителя-моноплана И-16. Приведем выдержки из воспоминаний Томашевича:
«При разработке И-16 была объявлена борьба за снижение веса самолета. Не помню точно, была ли определена и указана премия за снижение веса против лимита. …И самолет оказался самым легким в мире…
Самолету И-16 не хватало устойчивости. Николай Николаевич сетовал: «Самолет И-3 был устойчивым, но военные его ругали, так как считали, что из-за этого он теряет в управляемости». И ему пришлось делать И-16так, как хотели военные, хотя в этом и крылась их ошибка, которую понимал Поликарпов…
Компоновка И-16 была необычной для всего мира. Николай Николаевич сам изучил и дал мне изучить особенности низкого размещения крыльев….На И-16 были реализованы меры, ликвидирующие отрицательные свойства [схемы] низкоплана…
На И-16 случилась трудность: не удавался подъемник шасси. …Думали все. Мне удалось наметить схему, и она была реализована нашим представителем на горьковском заводе Коротковым».
Первый опытный экземпляр машины В.П.Чкалов поднял в воздух 30 декабря. Истребитель около восьми лет строился серийно в разных модификациях с моторами М-22, М-25, М-62, М-63. Развитие И-16 осуществлялось по разным направлениям, улучшались эксплуатационные свойства машины, росла мощь вооружения. Именно на этом самолете были установлены синхронные крупнокалиберные пулеметы (впервые в СССР), появилась первая в мире установка синхронных пушек, первое убираемое лыжное шасси.
Всего было построено около девяти тысяч И-16. Эта машина долгое время составляла основу воздушной мощи СССР, воевала в Испании, Китае, Монголии, Финляндии, принимала участие в тяжелых воздушных сражениях Великой Отечественной войны.
Проектирование самолетов под руководством уникального конструктора стало хорошей школой для Дмитрия Людвиговича. Поликарпов оценил Томашевича и перевел его начальником бригады общих видов. Первой крупной работой, которую выполнял Томашевич в новой должности, было создание истребителя с мотором жидкостного охлаждения И-17 (в модификациях ЦКБ-15, ЦКБ-19).
Снова обратимся к воспоминаниям Томашевича:
«Николай Николаевич показывал мне, как будет обтекать воздух то или иное место самолета и как выбрать формы дл я И -17. Эту методи ку анал иза воздушного потока я запомнил надолго и применил при модернизации самолета Пе-2 в 1943 г. (на нем получили увеличение скорости почти на 100 км/ч)…
И-17 был устойчив, имел высокую управляемость, входил и выходил из «штопора» легко…».
В конце 1935 г. Поликарпов назначил Томашевича своим помощником и ведущим конструктором по истребителю ЦКБ- 19бис с мотором М-100. Это еще одна модификация И-17, главной особенностью которой (впервые в СССР) являлась пушка, стреляющая через полый вал редуктора мотора жидкостного охлаждения. По причинам, не относящимся к этому самолету, в серии он не строился, хотя возможность серийного производства на авиазаводе в Казани рассматривалась.
Томашевич участвовал в проектировании рекордных самолетов на базе И-17, модификаций этого истребителя-ЦКБ- 25, ЦКБ-33, ЦКБ-43 и других.
Еще одним направлением деятельности КБ в те годы была разработка самолетов-разведчиков и бомбардировщиков. В итоге создали разведчик и легкий бомбардировщик «Иванов», постройку и испытания которого курировал Дмитрий Людвигович. Отсутствие производственной базы не позволило в срок реализовать проект, а когда самолет был построен и испытан, на вооружение уже приняли ББ-1 конструктора П.О.Сухого (будущий Су-2).
Директор завода № 39 Кацва (очевидно по указанию М.М. Кагановича), загрузил производство серийной продукцией, поэтому строить опытные машины стало негде. Только Поликарпов осмелился выступить с протестом. Он направил письмо начальнику главка, затем – наркому тяжелой промышленности Серго Орджоникидзе.
И-153 с мотором М-25В
Первый опытный экземпляр И-153 с M-25R
Руководству завода это сильно не понравилось. И когда решили каждой конструкторской бригаде предоставить собственную производственную базу, КБ Поликарпова постарались «выпихнуть» с завода № 39, разделив на две части. Одних направили на завод №21 в Горький, других-на завод № 84 в Химки. Ни там, ни там не было ни опытного производства, ни помещений для конструкторского бюро.
Томашевич воспоминал: «Мы переехали на завод № 84 в Химки. Из 105 человек коллектива добровольно перебазировались сразу 103 человека, 104-й присоединился через два месяца. Хотя условия проезда на завод были тяжелыми и отнимали много времени. Такова была сплоченность коллектива Николая Николаевича…
В 1936 г. в Химках начали разработку самолета «ВИТ»-воздушного истребителя танков, вооруженного двумя крупнокалиберными пушками Шпитального. Нас посещал генерал Воронов из Артиллерийского управления. Мне приходилось с ним разговаривать, когда он не заставал Николая Николаевича на заводе. Он очень интересовался этим самолетом. Очевидно, идея Николая Николаевича, заложенная в этот самолет, считалась полезной для Красной Армии».