На штурмовике был оборудован достаточно вместительный бомбоотсек, где на продольной балке размещались четыре 100-кг авиабомбы. Также в фюзеляже имелся отсек для расположения аэрофотоаппарата АФА-19 и радиостанции РСР. Стрелковое вооружение включало 4 крыльевых ШКАСа с боезапасом по 500 выстрелов на ствол и оборонительную установку с таким же пулеметом, размещенным на турели МВ-5.
В июне 1938 г. состоялась выкатка ХАИ-51. Начались наземные испытания, которые затянулись на два месяца. Уж очень много мороки доставил «сырой» двигатель. В конечном итоге, в августе того же года летчик-испытатель Б.Н. Кудрин поднял машину в воздух. Он выполнил 32 испытательных полета, в ходе которых снимались флаттерные и скоростные характеристики. Была зафиксирована максимальная скорость 440 км/ч. А затем М-62 полностью «скис». Новый двигатель Москва провинциальному заводу не спешила передавать. Заводские испытания завершили с менее мощным, но надежным М-25В.
Тем не менее, ХАИ-51 так и не попал, из-за отсутствия подходящего двигателя, на Госиспытания. Поэтому победа в конкурсе досталась другим – АНТ-51 конструкции П.О. Сухого.
Не сложилось и с ХАИ-52. Машина по конструкции почти не отличалась от предшественника. Правда, лонжероны были выполнены из кавказского бамбука. Так же предусматривалась установка более мощного двигателя – М-63 в 930 л.с. с винтом ВИШ-28. Весьма мощным проектировалось вооружение – 7 пулеметов: 4 крыльевых, 2 синхронных и 1 оборонительный. В дополнение к внутренним узлам подвески бомб задумывались еще и подкрыльевые с замками Дер-31.
Проект настолько понравился руководству страны и НКАП (несмотря на то, что конструктор – враг народа!), что в январе 1939 г. ХАИ-52 решили запустить в серию еще до начала не то что Государственных, но и заводских испытаний.
Выкатка первого опытного экземпляра состоялась 15 марта 1939 г. Надо сказать, что двигателя М-63 так и не дождались, поэтому поставили на ХАИ-52 реконструированный М-62, ранее работавший на ХАИ-51.
Первый полет нового самолета состоялся 6 апреля 1939 г. В воздух его поднял летчик-испытатель заводского военпредства п-к Дарский. Машина оставила позитивное впечатление. Вскоре удалось получить скорость у земли 350 км/ч, на высоте 4000 м – 400 км/ч.
Представитель НКАП Семенов докладывал руководству: «Эта машина с мотором М-63 вполне современна, а если на ней установить турбокомпрессор, то в 1940 г. ВВС могли бы иметь на вооружении машину, которой еще нет на вооружении наших вероятных противников».
