Лавочкин, Горбунов и Гудков занимались совершенствованием истребителя практически независимо друг от друга. Наибольшее количество модификаций ЛаГГа внедрил в серийное производство Горбунов на заводе № 31, эвакуированном во время войны в Тбилиси. Выпуск ЛаГГов прекратили там только в 1944 г. В 1942 г. в Тбилиси в ограниченном количестве выпускался «облегченный» ЛаГГ-3 с двигателем ВК-105ПФ. Эпопея борьбы за экономию массы была связана со значительным отставанием советских истребителей Як и ЛаГГ от Вf.109 по максимальной скорости полета и скороподъемности. С отечественных истребителей снимали все, что можно снять: кислородное оборудование; «лишние» пулеметы, в случае ЛаГГа — ШКАСы и один БС. Начиная с 11-й серии ЛаГГи были вооружены только пушкой и крупнокалиберным пулеметом, в конце 1943 г. на самолеты вновь стали ставить второй БС. Ниже приведен состав вооружения для некоторых серий ЛаГГ-3: серии 11, 23, 32, 42 — пушка и один БС; серии 4, 41 — ШВАК, БС и два ШКАС; серия 34 — пушка НС-37 и один БС.
В полевых условиях вооружение иногда усиливали за счет установки двух БС в гондолах под крылом.
Еще одним путем облегчения истребителя стало уменьшение запаса топлива, то есть — возвращение к исходному, трехбачному, варианту ЛаГГа. Сначала емкость каждого крылевого бака уменьшили на 40 л (с 7 -й серии), на ЛаГГах 11-й серии крыльевые баки не устанавливались совсем — для компенсации встроенных крыльевых баков предлагалось использовать подкрыльевые подвесные сбрасываемые бачки емкостью по 100 л, однако широкого распространения они не получили.
Последней, наиболее совершенной модификацией стал ЛаГГ-3 66-й серии, на котором были внедрены рекомендации ЦАГИ в области аэродинамики планера самолета; ЛаГГи 66-й серии строились в Тбилиси с весны 1943 г. до середины 1944 г.
Предпринимались попытки повысить характеристики ЛаГГа за счет установки более мощных моторов М-105ПФ и М-107, однако из-за ненадежной работы двигателя в серию истребители с М-107 не передавались. С моторами М-107 изготовили два самолета (ЛаГГ-ЗФ), первый совершил по программе летных испытаний 33 полета (отказы двигателя происходили в каждом полете), второй — 43. Испытания ЛаГГ-ЗФ проводил Юрий Константинович Станкевич.
Начиная с 28 и по 66 серии на ЛаГГ-3 ставились форсированные моторы М-105ПФ. На летных испытаниях летом 1943 г. ЛаГГ-3 с М-105ПФ показал максимальную скорость на 25–28 км/ч больше, чем серийные машины; увеличились потолок и скороподъемность. Мощность мотора М-105ПФ по сравнения с М-105 была несколько больше, 1180 л.с. против 1050 л.с. на высоте 2200 м. Один истребитель был построен с мотором М-105ПФ2, мощностью 1240 л.с, на испытаниях самолет показал скорость 618 км/ч.
Ограниченная серия ЛаГГ-3 была построена в варианте разведчика с одним фотоаппаратом АФА-1, установленным в фюзеляже.
Можно выделить три пути совершенствования ЛаГГ-3: «облегчение» за счет снятия оборудования и вооружения, увеличение мощности силовой установки (в конченом итоге этот путь оказался наиболее эффективным и привел к по явлению Ла-5), увеличение огневой мощи за счет установки 37-мм пушки.
Первым установил осенью 1941 г. пушки Шпитального Ш-37 на три серийных ЛаГГа Гудков. Самолеты прошли успешные фронтовые испытания под Вязьмой.
В 1942 г. в Горьком выпустили серию ЛаГГов с пушками Ш-37, но сама пушка оказалась неудачной и технологически сложной.
В середине 1942 г. под руководством Лавочкина проводились работы по установке на истребитель пушки Нудельмана/Суранова НС-37. В декабре 40 ЛаГГ-3, вооруженные НС-37, отправили на Сталинградский фронт.
Замена мотора
Все три запущенных в серию пред военных советских истребителя имели двигатели водяного охлаждения. Нет необходимости останавливаться на при чинах такого выбора, важно отметить, что в двигателях водяного охлаждения авиапром испытывал недостаток (яркое свидетельство — прекращение производства МиГ-3 в пользу Ил-2), в то время как «звезды» воздушного охлаждения М-82 в буквальном смысле было некуда девать. Выпуск разработанных под этот двигатель бомбардировщиков Су-2 и Ту-2 собирались прекращать (массовое производство Ту-2 еще и не начиналось). Секретарю пермского обкома партии Н. И. Гусарову, выпускнику МАИ, удалось «пробить» наверху решение заказать под М-82 варианты истребителей МиГ, Як и ЛаГГ.
Впрочем, конструкторы истребителей, особенно ЛаГГа, сами проявляли интерес к звездообразному мотору воздушного охлаждения. ЛаГГ получился более тяжелым по сравнению с «Яком», а моторы на истребителях стояли одинаковые — М-105; неудивительно, что «летчикам больше нравились Яки». Надежды на радикальное повышение мощности М-105 были весьма призрачные, а вот установка М-82 сулила прибавку в триста лошадиных сил и повышение живучести при попаданиях пуль и снарядов в двигатель. Правда, возрастало лобовое сопротивление самолета за счет большего миделя двигателя воздушного охлаждения, тем не менее мощность «звезды» с лихвой перекрывала рост сопротивления, позволяя получить большую скорость и скороподъемность.
Первым переделал ЛаГГ-3 под М-82 Гудков — под его руководством в августе 1941 г. к планеру серийного истребителя пристыковали носовую часть от Су-2. Самолет получил обозначение Гу-82, на нем в сентябре-октябре 1941 г. в НИИ ВВС А. И. Никашин совершил несколько полетов, но из-за эвакуации испытания прервались и больше не возобновлялись; не была закончена и постройка второго экземпляра Гу-82.
Между тем отзывы о ЛаГГе с фронта шли не лестные: истребитель уступал по характеристикам и «Мессершмитту», и «Яку». Появились объективные и субъективные причины снятия ЛаГГа с серийного производства, по крайней мере, на части заводов. В конце октября 1941 г. в Новосибирск на завод № 153 — второе по мощности предприятие, выпускавшее ЛаГГи, — было эвакуировано ОКБ Яковлева. Молодой энергичный зам. наркома предпринял меры по организации на заводе производства истребителей Як-7. В январе 1942 г. вышло постановление ГКО о выпуске на заводе «Яков» вместо истребителей ЛаГГ. Постановление готовилось в декабре 1941 г., Сталин намеревался переключить на Яки и Горьковский завод. К счастью, выпуск ЛаГГов на заводе № 21 отстоял нарком Шахурин, но ему удалось добиться лишь отсрочки до тех пор, пока Яковлев не наладит изготовление Як-7 в Новосибирске. Дабы отстоять серийный завод, а значит и само КБ, Лавочкину следовало резко улучшить летные характеристики ЛаГГ-3. Радикально их улучшить можно было лишь заменой двигателя. Лавочкин получил чертежи на М-82 непосредственно от Швецова, но ставку делал на перспективный двигатель Климова М-107, тем более что задел по ЛаГГ-3 с М-107 уже имелся: один самолет был построен, и зимой 1942 г. начались его испытания. В ходе полетов букет недостатков М-107 проявился в полной мере — двигатель имел слишком теплонапряженный режим. Надо сказать, с этим мотором хлебнул неприятностей и Яковлев, пытавшийся ставить его на свои самолеты.