В 1938 году Вахмистров несколько изменил проект, предложив использовать И-16 также в качестве пикирующих бомбардировщиков. Таким образом появилось «Звено-СПБ», в котором каждый истребитель мог нести по две 250-кг бомбы. Радиус действия И-16 существенно увеличился за счет того, что в полете они питались горючим со специальных крыльевых баков ТБ-3. Максимальная дальность полета всей системы достигла почти 2500 км. Отцепка истребителя в воздухе от самолета-носителя происходила сравнительно просто. По сигналу пилот И-16 освобождал задний фюзеляжный замок, затем двигал ручку управления от себя и, когда истребитель отклонялся вниз на угол 3°30′, автоматически открывались крыльевые замки, и самолет переходил в свободный полет. После сброса бомб с пикирования И-16 могли использоваться в качестве обычных истребителей.

«Звено-СПБ» официально приняли на вооружение ВВС СССР в октябре 1938 года, однако из-за споров в верхах относительно эффективности использования серийное строительство сцепок разворачивалось крайне медленно. К началу войны заводы построили всего пять комплектов систем «Звено-СПБ». Все они вошли в состав 2-й эскадрильи 32-го ИАП 62-й авиабригады ВВС ЧФ и базировались на аэродроме в Евпатории.

26 июля 1941 года, после получения из Москвы соответствующего приказа о применении «Звена-СПБ», для бомбардировки Констанцы в воздух были подняты две сцепки. Авиаматки ТБ-3 пилотировали С. Гаврилов и Н. Огнев, а в кабинах истребителей находились командир эскадрильи капитан А. Шубиков и летчики Б. Филимонов, Б. Литвинчук и А. Самарцев. Над морем необычную группу встретили два гидросамолета из 119-го МРАП, которые сопровождали ее почти до самого румынского берега.

«Мы с Шубиковым летели на подвеске у Серафима Гаврилова, — вспоминал Борис Литвинчук, — летчик что надо, еще до войны нас катал. Под вторым ТБ-3, Николая Огнева, тоже опытного «возницы», — «ишачки» Филимонова и Самарцева. Мы с Арсением видим друг друга, объясняемся знаками. Над морем опробовали пулеметы — работают на «большой». Опять делать нечего, только следить за режимом моторов да друг за другом, чтоб не заснуть. Хорошенькое было бы дело! Но вот и береговая черта. «Внимание!» — вспыхивает сигнальная лампочка над козырьком. «Есть внимание!» — тем же способом отвечаю Гаврилову. «Срыв» — сигнал на щитке под плоскостью бомбардировщика. Киваю Шубикову, рывком поворачиваю ручку отцепки заднего замка. Чувствую: самолет обрел одну свободную ось. Ручку управления от себя — полная отцепка, истребитель плавно скользит носом вниз. Все, свободен!».

Все четыре И-16 освободились приблизительно в 40 км от Констанцы и над целью появились в 12:45 на высоте около 2000 м. Пилоты патрулирующих в отдалении «мессершмиттов» не поверили своим глазам, заметив маленькие истребители, и, пока они пребывали в смятении, советские самолеты спокойно облетели район Констанцы и приступили к атаке. Бомбы Шубикова и Литвинчука полетели на ближайшее нефтехранилище, а Филимонов с Самарцевым атаковали порт. Сделав свое дело, четверка И-16 благополучно удалилась на максимальной скорости. Спустя некоторое время истребители приземлились на промежуточном аэродроме в Одессе и, дозаправившись, перелетели к себе на базу в Евпаторию.

В следующем налете на Констанцу приняли участие уже три сцепки, но на этот раз после сброса бомб «ишачкам» пришлось выдержать тяжелый бой с вражескими истребителями. Назад не вернулись два И-16 пилотов Д. Скрынника и С. Кузьмина.

Наиболее успешной военной операцией, проведенной с помощью «Звеньев-СПБ», стала, без сомнения, бомбардировка Черна-водского моста на реке Дунай. Через этот крупнейший железнодорожный мост общей протяженностью 1662 м проходила важнейшая транспортная магистраль Румынии, а, кроме того, под его нижним настилом был расположен нефтепровод, по которому нефть поступала из Плоешти в Констанцу и использовалась в интересах гитлеровцев. Для разрушения моста, имевшего сильную зенитную оборону, командование ВВС флота выделило два звена бомбардировщиков Пе-2 из 40-го СБАП, а также приказало подготовить три «Звена-СПБ». С последними была проблема, поскольку мост располагался в 60 км западнее Констанцы, и дальности полета И-16 не хватало, чтобы возвратиться на базу. Проблему удалось решить с помощью технического состава 32-го ИАП, изготовившего для каждого И-16 дополнительный подфюзеляжный бачок на 95 л топлива. Он увеличил продолжительность полета истребителя на 35 минут.

Перед началом операции летчики внимательно изучили по фотоснимкам конструкцию моста, подходы к нему и наиболее уязвимые точки. Вылетели 10 августа глубокой ночью, чтобы объявиться над целью на рассвете. Первыми нанесли удар по Чернаводскому мосту бомбардировщики Пе-2. Они добились нескольких попаданий, но мост из строя не вывели. Гораздо эффективнее действовали И-16, так как они сбрасывали свои бомбы с пикирования, выходя из него на высоте всего около 300 метров. Нужно отметить, что 10 августа в район цели вышли только два «Звена-СПБ», поскольку одна сцепка возвратилась назад из-за технических неполадок. Оставшиеся четыре истребителя отделились от носителей на подходе к Георгиевскому гирлу Дуная, в 15 км от берега, и, прорвавшись через плотный зенитный огонь, нанесли точный удар по мосту. В 6:40 все они находились уже на аэродроме в Одессе. 13 августа состоялся повторный налет на мост шестью пикировщиками И-16 всех трех «Звеньев». Он проходил по аналогичному сценарию, однако по времени атака проводилась на полчаса позже. Сбросив бомбы, истребители на обратном пути обстреляли вражеские войска в районе Сулины и снова возвратились назад без потерь. По докладам пилотов И-16, они добились пяти прямых попаданий в мост. Были разрушены две его фермы, обвалился пролет и, естественно, вышел из строя нефтепровод. «Разрушения оказались столь основательными, — вспоминал Литвинчук, — что, когда в 1944 году наша армия освобождала от гитлеровцев Румынию и мне снова пришлось побывать в памятном месте, мост так и не был за три года полностью восстановлен».

В конце июля советские войска Южного фронта, в состав которого были переданы также 6-я и 12-я армии, под натиском противника отступали на рубеж Гайсин, Днестр. К этому времени к немецким, румынским и венгерским войскам присоединились на данном направлении две словацкие дивизии и итальянский экспедиционный корпус. В числе редких успехов советских ВВС в этот период стоит отметить разгром 5-й румынской кавалерийской бригады. Утром ее обнаружили на подходе к Гайворону летчики 131-го ИАП. Всадники двигались колонной на открытой местности с развернутыми знаменами, и, естественно, советское командование не упустило такой шанс расквитаться с союзниками Германии. На уничтожение кавалерии немедленно перенацелили все истребительные полки, базирующиеся в районе Котовска. Участвовавший в этом побоище А.И. Покрышкин вспоминал:

«Группы «чаек», «мигов», И-16, сменяя друг друга, штурмовали кавалеристов. Бомбы и «эрэсы», пулеметно-пушечный огонь ложились точно в цель. А когда нечем было стрелять, самолеты снижались к самой земле, проносились с ревущими моторами, едва не цепляя винтом кавалеристов. Перепуганные лошади сбрасывали седоков, обрывали постромки у пушек и разбегались по полям. Особенно отчаянно действовал Вадим Фадеев. Он так прижимал свой И-16 к земле, что, казалось, собирался винтом рубить противника. К середине дня кавалерийская дивизия была истреблена, и летчики гонялись за отдельными мелкими группами, добивали их».