Для пикирующих бомбардировщиков люфтваффе 1940 г. стал годом триумфа. В Советском Союзе самолета, подобного Ju-87 не существовало. Спешные модификации в пикировщики «нормальных» горизонтальных бомбардировщиков СБ-2 и ДБ-3 могли считаться в лучшем случае паллиативным решением без надежды на успешное боевое применение. В этих условиях вспомнили о «Звене-СПБ». В июне 1940 г. начались испытания первого серийного «Звена», выпущенного заводом № 207. Пикирующими бомбардировщиками в данном варианте «Звена» являлись истребители И-16 тип 24 с двигателями М-63. В общей сложности было изготовлено шесть экземпляров «Звена-СПБ»; все они поступили на вооружение базировавшейся в Евпатории 2-й особой эскадрильи 32-го ИАП 62-й авиационной бригады ВВС Черноморского флота. Летчики эскадрильи интенсивно осваивали новую систему и отрабатывали пикирующие удары по боевым кораблям. В январе 1941 г. командующий ВМФ, считавший эскадрилью всего лишь «цирком Шубикова» (по имени командира эскадрильи), приказал демонтировать с самолетов все специальное оборудование. К счастью до лета 1941 г. приказ выполнить не успели, а летом началась война.

В первые недели войны авиация Черноморского флота часто наносила удары по территории Румынии. Наиболее приоритетной целью являлся Черноводский мост через Дунай, расположенный в 60 км западнее Констанцы. Мост представлял собой капитальное сооружение длиной 1660 м, максимальная высота мостовых конструкций над водой составляла 75 м. По мосту проходила нитка нефтепровода Плоешти-Констанца. Разрушение моста приводило к парализации сообщения между промышленным районом Бухареста и основным румынским морским портом Констанца, что серьезно бы отразилось на снабжении группировки румынских войск, действовавших на южном участке Восточного фронта. Бомбардировщики СБ-2 и ДБ-3 из 63-й бомбардировочной бригады ВВС Черноморского фронта неоднократно и безуспешно пытались разрушить Черноводский мост. Выполнить ответственную задачу поручили эскадрилье, вооруженной «Звеньями-СПБ».

Сначала решили опробовать необычную систему по более простой цели. Два ТБ-3 с истребителями под крылом днем 26 июля 1941 г. подошла к Констанце. В 40 км от объекта налета истребители отцепились от маток. Ведомая капитаном Шубиковым четверка И-16 поразила бомбами нефтехранилище. Гигантский столб черного дыма свидетельствовал о прямом попадании. «Ишачки» без проблем вернулись домой в Евпаторию.

Для удара по Черноводскому мосту было выделено три «Звена», истребители И-16 оснастили дополнительными подфюзеляжными топливными баками емкостью 95 л, увеличивавшими продолжительность полета на 35 минут. Три авиаматки с истребителями взлетели в 3 ч утра 10 августа. С половины маршрута одному носителю пришлось вернуться из-за технических неполадок. В 5 ч 10 минут самолеты находились на удалении 15 км от румынского берега. Истребители отцепились от маток. Через четверть часа четверка И-16 находилась уже над мостом. Зенитная артиллерия открыла интенсивный заградительный огонь, но самолеты спикировали с высоты 1800 м и сбросили бомбы. В 6 ч 40 минут все «ишачки» приземлились в Одессе.

Повторную операцию назначили на 13 августа. В тот день отказов на носителях не произошло, поэтому в ударе по мосту приняло участие шесть И-16. В 5 ч 50 минут утра истребители добились пяти прямых попаданий бомб в Черноводский мост. Один пролет моста был полностью разрушен. На обратном пути самолеты еще проштурмовали позиции румынской пехоты в районе Сулины, а в 7 ч 05 мин все И-16 приземлились на одесском аэродроме. После заправки топливом они перелетели домой, в Евпаторию. Успешный рейд возобновил интерес к «Звену-СПБ» со стороны командования ВМФ. Результатом стал ввод в строй еще двух «звеньев». Общее количество боеспособных систем возросло до пяти. Рост численности ограничивала нехватка самолетов ТБ-3, оснащенных двигателями М-34РН, серийные тяжелые бомбардировщики комплектовались моторами М-17, мощности которых не хватало для взлета с истребителями.

В общей сложности авиация ВМФ получила 12 самолетов ТБ-3, пять из них поступили на вооружение эскадрильи СПБ, остальные использовались в качестве транспортных. 16 августа нарком ВМФ адмирал Кузнецов обратился к Сталину с просьбой о передачи из ВВС дополнительного количества самолетов ТБ-3 с двигателями М-34РН. Учитывая высокие потери ВВС в первые военные месяцы, в удовлетворении просьбы было отказано. Имевшиеся на вооружении морской авиации звенья продолжали воевать. 17 августа шесть И-16 уничтожили сухой док в Констанце. В конце месяца маленькие пикирующие бомбардировщики переключились на нанесение ударов по переправам через Днепр. 28 августа две авиаматки взлетели с евпаторийского аэродрома и взяли курс на Запорожье. В 30 км от города от носителей отцепились пикировщики. Самолеты нанесли внезапный удар и уничтожили переправу через Днепр в районе Берислава. Один И-16 был сбит. Налет повторили на следующий день.

После бомбежки четверка И-16 вступила в воздушный бой с мессершмиттами, сбив два Bf.109. Дальнейшее использование «Звеньев» прекратили из-за повышенного риска таких рейдов в условиях полного господства в воздухе авиации противника. В конце сентября немецкие войска вырвались на просторы Северного Крыма. Все имевшиеся в наличии самолеты авиации Черноморского флота были перенацелены на нанесение ударов по наступающим механизированным колоннам противника.

Арсений Шубиков погиб в воздушном бою 1 октября 1941 г. «Звенья-СПБ» использовались в своей оригинальной конфигурации с подвешенными И-16СПБ все реже и реже. Последние боевые вылеты состоялись, видимо, в 1942 г. «Звенья» совершили в общей сложности не менее 30 боевых вылетов, причем результативность оказалась исключительно высокой, даже не сравнимой с результативностью действий обычной бомбардировочной авиации ВВС РККА.

На момент начала гражданской войны в Испании истребитель И-16 по праву считался революционным самолетом. Будучи основным истребителем ВВС РККА в 1939 г. от являлся одним из лучших в мире, но конфликт на Халхин-Голе показал, что «ишачок» уже не лучший в мире. Ограниченность характеристик И-16 в еще большей степени выявила война с Финляндией. Боевые действия начались 30 ноября 1939 г.

Командование Красной Армии и высшее политическое руководство страны недооценило способность маленькой северной страны к сопротивлению. Задействованные в операции истребительные подразделения ВВС и авиации Балтийского флота имели на вооружении бипланы И-152 и старые модели монопланов И-16, главным образом И-16 тип 5. Летный состав не имел боевого опыта, а порой и достаточного налета на истребителях. С другой стороны истребители финских ВВС имели адекватную камуфляжную окраску, подразделения были рассредоточены по аэродромам, а хорошо подготовленные летчики исповедовали агрессивную тактику ведения воздушного боя. После месяца боев советским ВВС с трудом удавалось удерживать господство в воздухе исключительно за счет численного перевеса. В этих условиях командованию ВВС РККА пришлось пойти на непредвиденные меры — замену шести из восьми, развернутых на театре военных действий, истребительных авиаполков и перевооружение их с И-16 тип 5 на И-16 тип 10 и тип 17. На войну направлялись ветераны Испании, Китая и Халхин-Гола. Количество истребительных полков возросло до 12. Финны, со своей стороны, бросили в бой недавно закупленные за рубежом истребители Моран-Солнье MS-406 и ФИАТ G.30bis. Боевые действия прекратились 13 марта 1940 г. К этому моменту всем стало очевидно — время И-16 прошло.