Однако хотя советский ас в своих мемуарах утверждал, что его пожелания, высказанные лично А.С. Яковлеву, были восприняты конструктором негативно, было бы ошибкой считать, что в КБ этому вопросу не придавали значения. Еще в апреле 1941 года под руководством К. Виганта был создан самолет И-30, получивший также предварительное обозначение Як-3. Машина имела ряд существенных отличий от И-26 (Як-1) – в том числе такие принципиальные, как цельнометаллическое разъёмное крыло, металлическое хвостовое оперение, шасси улучшенной конструкции, а также козырек фонаря без переплета, предкрылки, посадочная фара и ряд иных. При этом, помимо мотор-пушки на истребитель были установлены два крыльевых орудия ШВАК и пара пулеметов ШКАС. Машину уже готовили к передаче в серийное производство, однако начало войны и последовавшая эвакуация и образовавшийся дефицит алюминия не позволили запустить самолет в серию.
Осенью 1941 года группой инженеров ОКБ Яковлева, занимавшихся организацией серийного выпуска Яков на саратовском заводе № 292, был предложен собственный вариант боевой машины на базе Як-7 УТИ, которая имела только пушечное вооружение по типу И-30. В серию машина не передавалась: помимо сомнений в эффективности такой схемы вооружения при отсутствии пулеметов, сыграла роль и необходимость значительного изменения технологического процесса, и дефицит авиапушек, поставляемых оружейниками.
«Трехпушечный» Як-7 все же принимал участие в боевых действиях – правда, создан он был в конце 1943 года не в заводских условиях, а силами специалистов 281-й самолетной авиаремонтной мастерской 1-й воздушной армии, которые использовав элементы установки вооружения истребителя Ла-5 и британского «харрикейна», заменили двумя синхронными пушками ШВАК «штатные» пулеметы УБС. Схема вызвала интерес у конструкторов ОКБ Яковлева и на заключительном этапе войны была использована на серийных модификациях.
Непосредственно ОКБ в 1943 году была разработана модификация Як-9П, несущая две пушки ШВАК, одна из которых была установлена вместо синхронного пулемета УБС. Однако в серию этот вариант не поступил, так как к этому времени укрепилось мнение, что основным путем повышения огневой мощи Яков следует избрать увеличение калибра устанавливаемой пушки. Подобный опыт у КБ уже имелся – еще в апреле – мае 1942 года были проведены испытания истребителя Як-7–37, вооруженного 37-мм пушкой конструкции Б. Шпитального МПШ-37. Хотя из-за отказов вооружения испытания прошли не вполне удачно, тем не менее была выпущена небольшая серия из 22 самолетов, на которые установили пушку аналогичного калибра НС-37, конструкции Нудельмана и Суранова.
Опыт боевого применения показал, что несмотря на ухудшение летных характеристик, эффективность тяжелого вооружения истребителя подтвердила ожидания. Однако его выпуск продолжать не стали, сделав ставку на аналогичную модификацию Як-9 как более перспективную.
Выпуск истребителя Як-9Т, вооруженного 37-мм пушкой НС-37 и 12,7-мм пулеметом УБС, был начат в марте 1943 года. Установка более тяжелого и габаритного орудия вынудила внести изменения в конструкцию машины – была увеличена прочность силового каркаса, а кабина летчика сместилась на 400 мм назад. Еще одним визуальным отличием самолета стал ствол пушки, на 160 мм выступающий из кока винта. Самолет уступал «базовому» Як-9 в вертикальной маневренности, но при этом попадания одного снаряда 37-мм пушки было достаточно для уничтожения самолета противника, а применение бронебойных боеприпасов позволяло достаточно эффективно бороться и с бронетехникой противника. В общей сложности до июня 1945 года было построено 2748 самолетов Як-9Т.
В конце 1943 года был создан истребитель Як-9К с еще более мощным орудием – 45-мм пушкой НС-45. При этом для установки пушки, ствол которой проходил через вал винта, пришлось установить специальный подшипник, а стенки ствола пушки сделать более тонкими. Самолет оказался более тяжелым – в том числе из-за увеличения емкости топливных баков с 440 до 650 л., что существенно сказалось на летных характеристиках. Кроме того, пушка НС-45 имела сильную отдачу – до 7 тонн, которую не удалось полностью нейтрализовать даже с помощью установки дульного тормоза. Тем не менее в период с апреля по июль 1944 года было выпущено 53 Як-9К, 44 из которых поступили на вооружение строевых частей.
В мае 1944 года начался выпуск самой многочисленной модификации «девятки» – Як-9М, имевшего унифицированную конструкцию на основе к Як-9Д, но со сдвинутой назад по типу Як-9Т кабиной. Важным фактором стало укрепление обшивки плоскостей, что оставалось «узким местом» в производстве Яков. Был осуществлен ряд иных изменений, в том числе установлен аварийный сброс фонаря кабины, автомат регулирования температуры воды, кнопочное управление рацией, фильтр с пылеулавливателем, пневматическая система перезарядки пушки заменена пневмомеханической и др.
С октября 1944 года вместо двигателя ВК-105ПФ (с 1943 года мотор М-105 получил название ВК по имени конструктора В. Климова) мощностью 1180 л.с. устанавливался ВК-105ПФ2 (1240 л.с.).
С мая 1944 года по июнь 1945 года было выпущено 4239 Як-9М. Часть самолетов специально оборудовались для нужд ПВО. Их отличие состояло в основном в изменении состава навигационного и радиооборудования: в частности, на этих машинах устанавливались вариометр[15], радиополукомпас, новая радиостанция с ответчиком «свой – чужой».
Кроме того, Як-9М ПВО стал легче: был уменьшен на 45 л запас топлива и на 15 кг масла, также были сняты бронестекла.
Сохранившееся в фюзеляже за кабиной летчика пространство позволило создать в марте 1944 года истребитель-бомбардировщик Як-9Б, выпущенный в количестве около 100 машин. В импровизированном бомбоотсеке за спиной летчика устанавливались четыре бомбоносителя, в которых могли размещаться четыре бомбы ФАБ-100 или четыре кассеты с противотанковыми 1,5-килограммовыми авиабомбами ПТАБ (32 бомбы в каждой кассете).
В ноябре 1943 года была создана последняя из «девяток» – Як-9У.
Эта модификация имела ряд существенных отличий от предыдущих, сказавшихся и на изменении внешнего облика машины. Так, изменилась форма носовой части вследствие того, что воздухозаборники маслорадиаторов переместились в носок крыла, соответственно изменилась и форма самого крыла. Сместились назад также водяные радиаторы. Кроме этого, обшивка фюзеляжа вместо полотняной стала фанерной, появились заднее и переднее бронестекла и бронеподлокотник, защищающий левую руку, которой летчик управлял сектором газа. Улучшилось протектирование топливных баков.
Опытный образец был оснащен двигателем ВК-105ПФ, в состав вооружения входила 23-мм мотор-пушка ВЯ-23 и два пулемета УБС. В серии на самолет установили пушку ШВАК, а в качестве силовой установки был выбран новый высотный 1500-сильный двигатель ВК-107А с новым воздушным винтом.
Благодаря мощному двигателю и оптимизации конструкции максимальная скорость истребителя возросла до 670 км/ч на высоте 5000 м, а скороподъемность равнялась 1000 м/мин.
В то же время в боевых условиях высокий потенциал самолета реализовать в полной мере удалось не сразу и не в полной мере. Хотя долго и трудно создававшийся мотор ВК-107 был запущен в серию, он все еще оставался достаточно «сырым». К числу недостатков относились выброс масла, падение давления масла ниже допустимого значения при наборе высоты, тряска при работе на пониженных оборотах и при их изменении, повышенный износ свечей, перегрев воды и масла на боевом режиме и при высоких температурах воздуха в летнее время. В результате самолеты первых серий были неспособны не только развивать максимальную скорость, но и осуществлять набор высоты без «промежуточных площадок». Хотя со временем часть дефектов удалось устранить, надежность двигателя все же оставалась недостаточной, а ресурс, как правило, не превышал 25 часов[16].
Тем не менее, даже несмотря на все недостатки, Як-9У по своим летным данным являлся одним из лучших истребителей заключительного периода войны. Уже во время войсковых испытаний в октябре – декабре 1944 года 32 Як-9У, пилотируемые летчиками 163-го иап, в 26 воздушных боях доложили об уничтожении 28 немецких истребителей – 27 Fw.190 и одного Bf.109G – потеряв при этом два своих самолета.
Всего в период производства с апреля 1944 года по август 1945 года был выпущен 3921 Як-9У.
В завершающей стадии войны – в период с февраля по май 1945 года – были построены 282 созданных на базе Як-9У истребителя с усиленным вооружением, при создании которых конструкторы ОКБ снова вернулись к варианту установки синхронных пушек вместо пулеметов УБС. Такая возможность появилась благодаря принятию на вооружение в октябре 1944 года созданной М. Березиным на базе пулемета УБ пушки Б-20, по своим весогабаритным характеристикам незначительно отличающейся от пулемета и при массе 25 кг оказавшейся почти в два раза легче пушки ШВАК. Истребитель Як-9 УТ, вооруженный 37-мм мотор-пушкой H-37 и двумя синхронными 20-мм пушками Б-20, по массе секундного залпа – около 6,4 кг/с – являлся одним из ведущих среди одномоторных истребителей Второй мировой войны.