Появившиеся в небе Сталинграда новые "мессершмитты" - Bf.109G позволили противнику завоевать господство в воздухе. Проведя первый этап улучшений, увенчавшийся выпуском Як-16, в ноябре 1942 г. ОКБ приступило к созданию машины, способной уверенно противостоять всем типам немецких истребителей. С этой целью исходная конструкция Як-1 была подвергнута тщательной ревизии в отношении веса и аэродинамики.
Первый экземпляр Як-1М ("москит") с мотором М-105ПФ, построенный 15 февраля 1943 г., отличался от серийного Як-1 прежде всего новым крылом меньшего размаха (9,2 м) и меньшей площади (14,83 м ). Применение металлических лонжеронов крыла, установка вместо четырех бензобаков двух в крыле и одного, расходного, в фюзеляже и, таким образом, уменьшение запаса топлива, уменьшение площади хвостового оперения и другие конструктивные мероприятия уменьшили полетный вес на 230 кг. Улучшение внешних форм и туннеля водорадиатора (он стал более утоплен в фюзеляж, в связи с чем в стандартную форму Як-1 в районе третьей рамы пришлось внести изменения для его крепления), перенос маслорадиатора в центральную часть крыла, использование индивидуальных на каждый цилиндр мотора реактивных выхлопных патрубков способствовали уменьшению аэродинамического сопротивления и увеличению максимальной скорости.
Як-1М успешно прошел заводские (с 28 февраля по 7 июня 1943 г.) и государственные (с 7 июня по 4 июля 1943 г.) испытания. К этому времени, основываясь на результатах испытаний мотора М-106, ОКБ А.С. Яковлева выдвинуло предложение по дальнейшему форсированию мощности мотора М-105ПФ путем увеличения наддува с 1050 до 1100 мм рт. ст. При этом номинальная мощность мотора на первой скорости нагнетателя становилась 1310 л.с. на высоте 200 м (против 1260 л.с. на высоте 700 м), а на второй скорости нагнетателя - 1240 л.с. на высоте 2100 м (против 1180 л.с. на высоте 2700 м).
Новый самолет получил признание пилотов за легкость пилотирования, сравнимую со "Spitfire V", хорошие летные качества и приличную маневренность. Недостатки самолета остались наследственными - недостаточно эффективная система охлаждения; забрызгивание фонаря маслом и отсутствие радиостанции. Отдельные машины радиостанцию получили, но она отличалась высоким уровнем шума. Чтобы дать самолетам больше шансов попасть на вооружение, в августе 1943 года прототип отправили в ЦАГИ для обдува в аэродинамической трубе. Результаты испытания оказались обнадеживающими, но требующими радикально изменить конструкцию самолета. Поэтому от многих идей по улучшению машины пришлось отказаться. Тем не менее, прототип имел значительные конструктивные особенности. Под двигателем снова появился воздухозаборник, а в хвостовой части фюзеляжа полотняную обшивку заменили фанерой.
Самолет Як-1М с М-105ПФ2 далеко ушел от первого прототипа и представлял собой, по сути, Як-3. Поэтому его следует описать подробнее.
Матерчатую обшивку фюзеляжа заменили фанерой толщиной 2 мм, фонарь кабины получил систему аварийного сброса, стойки главного шасси стали меньшего диаметра, что, как выяснилось позже, оказалось неудачным решением.
Для лучшей защиты пилота бронеспинка получила выгнутые боковины. Вдоль левого борта кабины поместили бронеплиту толщиной 3,5-4 мм, которая прикрывала руку пилота, лежащую на ручке газа. Голову летчика закрывало изголовье кресла и бронестекло фонаря.
Емкость топливных баков увеличили. Теперь самолет брал 265 л топлива вместо 240. Одновременно емкость разделительного бака уменьшили до 10 л. Баки были самогерметизирующимися: снаружи и изнутри их выстилал слой резины толщиной 2 мм, кроме того, внутри бак выстилался слоем аназотовой губки толщиной 5,5 мм. У первого прототипа защита баков в крыльях была слабее, а разделительный бак вовсе оставался незащищенным.
Самолет оснастили приспособлениями, облегчающими работу пилота. В числе прочих можно назвать автомат регулировки температуры воды АРТ-41, который избавил летчика от необходимости постоянно следить за указателем температуры. Эргономичное расположение рукоятки газа и регулятора шага винта также упростило управление самолетом.
Наконец была решена проблема с перегревом мотора. Благодаря новым маслорадиатору ОП-555 и водяному радиатору ОП-554 (заслонка теперь была опущена до 385 мм вместо прежних 270 мм) самолет получил возможность неограниченно долго лететь с максимальной скоростью.
Пушку ШВАК заменили более легкой ША-20М с боекомплектом НО выстрелов, а один УБ заменили двумя УБС (150 выстрелов на ствол). Примитивный прицел заменили колиматорным ПБП-1а.
Снаружи второй прототип отличался отсутствием выступающего за пределы обтекателя втулки фиксатора для подключения внешнего стартера. Отсутствовала антенная мачта. Радиостанция РСИ-4 благодаря новой двухлучевой антенне и тщательной экранизации стала работать гораздо стабильнее. Кнопку включения радиостанции разместили на рукоятке газа. Это необычайно простое решение также заметно упростило работу пилота.
Двигатель после повторного форсирования получил обозначение М-105ПФ2. Самолет оснастили пропеллером ВИШ-105СВ-01.
Наконец следует сказать, что все эти переделки никак не отразились на массе самолета, она составляла 2660 кг.
Разрешение на повышение наддува было получено от КБ В.Я.Климова, правда, только для первой скорости нагнетателя. С таким "усеченным" форсированием мощности мотора М-105ПФ Як-1М прошел 21-22 июля 1943 г. дополнительные испытания в НИИ ВВС с целью проверки возможности увеличения мощности с существующими устройствами охлаждения и снятия летных характеристик. К сожалению конструкторов, установленные на Як-1М водо- и маслорадиаторы оказались недостаточно эффективны. Для поиска дополнительных мер по улучшению работы устройств охлаждения самолет был отправлен в ЦАГИ, где в августе 1943 г. продувался в аэродинамической трубе.
На основе результатов продувок 17 сентября 1943 г. был выпущен второй прототип Як-1М, или "Дублер", как его иногда называли. Помимо форсированного мотора, переведенного на повышенный наддув во всем диапазоне высот и получившего обозначение ВК-105ПФ2, на самолет был установлен винт ВИШ-105СВ-01, новые масло- и водорадиаторы с увеличенными, по сравнению с первым экземпляром, площадями охлаждающих поверхностей (на 7 и 8.83 м2 соответственно). Вооружение было усилено за счет установки двух синхронных пулеметов УБ, а мотор-пушка заменена опытной облегченной пушкой ША-20М. Обшивка хвостовой части фюзеляжа стала полностью фанерной (толщиной 2 мм). Козырек фонаря стал беспереплетным. Введены многочисленные эксплуатационные улучшения. Вес конструкции "Дублера" стал меньше, чем у Як-1, на 250 кг.
"Дублер" успешно прошел заводские (с 20 по 30 сентября 1943 г.) и государственные (с 6 по 15 октября 1943 г.) испытания. Сравнительные испытания и учебные воздушные бои показали, что новый истребитель не уступает ни одному из истребителей воюющих на Восточном фронте сторон в скорости (кроме Ла-5ФН на форсаже), в скороподъемности и в вертикальном маневре до высоты 5000 м. Постановлением ГКО от 26 октября 1943 г. Як-1М был переименован в Як-3 и под этим обозначением запущен в серийное производство.
Доводка мотора М-107, начатая в январе 1942 г., закончилась успешными испытаниями 19 сентября 1942 г. Но, в связи с работами по аналогичному мотору М-106П, начатыми в том же месяце, было принято решение серийного выпуска М-107 не начинать, а форсировать его мощность и приступить к изготовлению форсированного образца с октября 1942 г. под наименованием М-107А.
Работы по форсированию М-107 прошли успешно, хотя и с некоторым запозданием, и с марта 1943 г. М-107А с номинальной мощностью 1600/1500 л.с. (первая/вторая скорости нагнетателя) начали выпускать серийно. Новый мотор тут же попытались "вписать" в конструкцию Як-1. А так как по времени это совпало с созданием Як-1М, то все лучшее, накопленное при его разработке, было перенесено и на новую машину. К апрелю 1943 г. самолет был готов. От Як-1 М его отличали мотор М-107А с винтом ВИШ-107, еще меньшая площадь элеронов (0.5 м по сравнению с 1.0 м на Як-1М). В связи с установкой нового мотора капоты и каркас капотов были удлинены на 100 мм. Запас топлива размещался в четырех крыльевых бензобаках и одном расходном баке. Вес конструкции при этом составил 2438 кг против 2133 кг у Як-1М (здесь и выше имеется в виду первый прототип Як-1М). Далее в отношении этого варианта Як-1, как и Як-1М с форсированным М-105ПФ, встала проблема соответствия устройств охлаждения новому мотору, причем для этой машины особенно, так как теплоотдача М-107А, по сравнению с М-105ПФ, возросла с 7500 до 9500 кал/мин. Используя результаты продувок Як-1М, продувками модели Як-1 с М-107 в аэродинамической трубе Т-106 ЦАГИ была подобрана наиболее рациональная компоновка радиаторов. По результатам этих исследовательских работ самолет в сентябре 1943 г. подвергся переделкам. К 2 октября он был готов и 5 октября 1943 г. совершил свой первый полет.
Установка нового мотора, на выпуске и применении которого так настаивали моторостроители, оказалась оправданной. Летные данные Як-1 значительно улучшились. В полете 18 ноября 1942 г. на высоте 6250 м была достигнута скорость 716 км/ч. Но для серийного производства, для использования в бою мотор М-107 был еще недостаточно доведен. А когда его довели, Як-1 уже снимали с производства.
