16 апреля 1934 г. ЦИК СССР учредил звание Героя Советского Союза.
Первыми этого звания были удостоены за спасение челюскинцев летчики М. В. Водопьянов, И. В. Доронин, Н. П. Каманин, С. А. Леваневский, А. В. Ляпидевский, В. С. Молоков, М. Т. Слепнев.
Разработка модификаций Р-5 началась сразу после начала внедрения самолета в серию. Выше упоминалось задание на проектирование морского поплавкового варианта МР-5. Однако реорганизация опытного самолетостроения, проводившаяся в конце 1929-го — начале 1930 г., привела к тому, что проектирование началось только в 1930 г. на заводе № 39. Машина отличалась от прототипа (кроме поплавкового шасси) килем увеличенной площади для компенсации смещения центра давления, механизмом для запуска двигателя с воды, благодаря которому, стоя на поплавке, можно вставить ручку в специальное отверстие в борту фюзеляжа и провернуть вал мотора. Самолет был построен в 1931 г. и испытывался. При полетном весе 3294 кг он развивал максимальную скорость 208 км/ч и имел потолок 4500 м. Параллельно коллективом ОПО-3 (так в те годы обозначалось КБ Д. П. Григоровича) велась разработка морского разведчика МР-5 с тем же двигателем, выполненного по схеме «летающая лодка». Поэтому поплавковый МР-5 на базе Р-5 получил обозначение Р-5а. Мореходные качества МР-5 были выше Р-5а, но прочие характеристики — хуже. Как только это выяснилось, доводка МР-5 была прекращена, а Р-5а решили строить серийно. На проведение сравнительных оценок было потрачено сравнительно много времени. Поэтому решение о развертывании серийного производства на заводе № 1 было принято лишь в 1933 г. Хотя согласно оперативным планам еще в 1931 г. Р-5а (МР-5) предполагалось поставить для перевооружения авиационных частей Амурской военной флотилии и ОКДВА.
Головной экземпляр был построен в марте 1934 г. Всего за этот год завод построил 47 Р-5а (вместо 50 по плану) и еще 50 — в 1935 г. В январе 1936 г. в составе ВВС Тихоокеанского флота насчитывалось 14 Р-5а и 5 — в ВВС Балтийского флота.
Рост скоростей боевых самолетов привел к необходимости разработки средств механизации крыла — предкрылков, закрылков. В начале 30-х гг. крылья, оснащенные этими устройствами, назывались разрезными. Они позволяли снизить посадочную скорость или при той же посадочной скорости уменьшить площадь крыла и тем самым увеличить максимальную скорость полета. ВВС проявили большую заинтересованность в исследованиях и практическом использовании механизации крыла и в 1930 г. приняли соответствующие решения по этому вопросу. Предварительный проект был выполнен на заводе № 39 под общим руководством С. А. Кочеригина.
11 августа 1931 г. в кабинете начальника ЦАГИ Н. М. Харламова состоялось специальное совещание о мероприятиях по переводу серийного производства Р-5 на разрезные крылья. На нем присутствовал начальник 3-й бригады ЦКБ Н. Н. Поликарпов. По ряду причин в дальнейшем в этих работах Николай Николаевич участия не принимал, хотя и консультировал проектирование.
Верхнее крыло бипланной коробки было сделано почти прямоугольной формы. На нем установили автоматические предкрылки. На верхнем и нижнем крыльях — щитки-закрылки.
В 1933 г. построили два экземпляра Р-5 с разрезными крыльями (№ 4681 и № 5563), имеющих некоторые различия в конструкции. На первом из них для улучшения управляемости на малых скоростях напротив элеронов на верхнем крыле установили интерцепторы. В процессе испытаний выяснилось, что посадочная скорость снизилась до 66–75 км/ч, однако потолок и максимальная скорость полета стали несколько хуже. В целом результаты испытаний признаны удовлетворительными.
15 июля 1933 г. помощник начальника ГУАП Алмазов направил письмо директору завода № 39 Марголину о том, что начальник ВВС Алкснис просит ГУАП принять заказ на постройку десяти Р5-М17 с разрезными крыльями, но без интерцепторов, для войсковых испытаний.
Однако на Р-5 разрезное крыло не прижилось: самолет и так обладал вполне удовлетворительными взлетно-посадочными характеристиками. Но эти опыты имели большое значение для последующего широкого внедрения средств механизации крыла в конструкции самолетов СССР, в том числе и в машины Н. Н. Поликарпова.
Рассматривались различные мероприятия по повышению дальности полета Р-5.
В 1933 г. завод № 1 самостоятельно разработал и поставил на машину бак в центроплане увеличенного объема. Его размеры не были согласованы с аэродинамикой самолета, так как выбирались по наитию без проведения необходимых аэродинамических исследований. В итоге сопротивление возросло, увеличился расход топлива на километр пути. Однако вместо критического анализа полученного результата в НИИ ВВС было принято решение отказаться от увеличенного центропланного бака и использовать подвесной под фюзеляжем. 22 ноября 1933 г. заместитель начальника ГУАП направил письмо уже директору завода № 39, где в то время находилась бригада Поликарпова, в котором предписывалось договориться с заводом № 1 о совместной разработке таких баков.
Появление еще одной модификации было связано с попыткой замены двигателя. Напомним, что разработка Р-5 заранее увязывалась с созданием двигателя мощностью 750-1000 л.с. Установка на него М-17 являлась, по сути, вынужденной мерой. Успешная разработка А. М. Микулиным двигателя М-34 (номинальная мощность у земли 750 л.с., максимальная — 820 л.с.) вновь подняла вопрос об оснащении Р-5 более мощным мотором. Поэтому в план заданий промышленности на 1932 г. был вписан пункт о постройке к 1 июля 1932 г. самолета Р-5 с М-34, продублированный соответствующим постановлением Комитета Обороны СССР.
Первый опытный Р-5 с этим мотором появился с опозданием на месяц. Он развил максимальную скорость у земли 252 км/ч, т. е. выше, чем у серийной машины.
В январе 1933 г. было принято решение включить в план серийного производства Р-5 с М-34. К 1 января 1934 г. планировалось иметь в строю 3226 Р-5 с М-17 и 253 Р-5 с М-34. За март-апрель 1933 г. завод № 1 построил эталон для серии. И на этом работа остановилась. Моторов М-34 тогда не хватало для обеспечения серийного производства тяжелых бомбардировщиков ТБ-3.
Поэтому на Р-5 решили ставить форсированные моторы М-17Ф, максимальная мощность которых была доведена до 730 л с., и рассмотреть вопрос об улучшении аэродинамики самолета.
В 1934 г. серийное конструкторское бюро завода № 1 разработало проект новой модификацию. Благодаря установке зализов на узлах крепления стоек и подкосов, обтекателей на колесах, улучшения общей отделки и новому двигателю М-17Ф возрастали скорость и скороподъемность. Новые пулеметы ШКАС вместо прежних ПВ-1 сулили повышение скорострельности вооружения, т. е. его эффективности. Поэтому самолет получил обозначение Р-5ССС (скоростной, скороподъемный, скорострельный). Часто он обозначался просто ССС. Встречались и другие обозначения машины: 3-С, «ТриЭС». На испытаниях при полетном весе 3003 кг ССС развивал у земли максимальную скорость 244 км/ч и достигал потолка 6100 м.
Серийное производство развернулось с 1934 г., но сдавать заказчику готовую продукцию завод начал с 1935 г. (221 экз.). В 1936 г. было построено 129 ССС, в 1937 г. — 270. На этом производство прекратилось после выпуска 620 машин.
На вооружение ВВС самолет стал поступать с 1935 г. Использовался он аналогично «классическому» Р-5.
В 1932 г. было выдано задание на разработку штурмового варианта Р-5 (Р-5Ш), в котором для проведения атак войск противника в нижнем крыле разместили два пулемета ПВ-1. За 1933 г. завод № 1 построил 19 Р-5Ш, еще 246 — в 1934 г. На этом вместе с прекращением производства Р-5 закончилась и его постройка. В 1935 г. было выпущено некоторое количество ССС в варианте легкого штурмовика (Р-5ЛШ или Р-5Ш), в котором в нижнем крыле вместо ПВ-1 устанавливались пулеметы ШКАС. Существовал вариант с кассетами на два пулемета, устанавливаемыми под нижним крылом.
По состоянию на 1 июля 1938 г. в ВВС СССР насчитывалось 427 Р-5Ш (различных типов), из них в ВВС Забайкальского, Сибирского, Киевского и Ленинградского военных округов соответственно 80, 84, 82, 81 Р5Ш.
В 1931 г. Н. Н. Поликарпов работал над Р-5 в варианте торпедоносца. По причинам, которые станут ясными в последующих главах, завершить эту работу ему не удалось. В 1933 г. НИИ ВВС предложил заводу № 1 рассмотреть вопрос об установке на Р-5 на колесном шасси торпедного вооружения. Эту работу выполнил В. В. Никитин. Так как вес торпеды ТАН-12 вместе с дополнительным оборудованием был сравнительно велик, от второго члена экипажа пришлось отказаться, и самолет стал одноместным. Конструкция шасси была изменена: принята пирамидальная схема для удобства размещения торпеды и введена дополнительная поддерживающая стойка от фюзеляжа к нижнему крылу. Вместо торпеды допускалась подвеска фугасной бомбы крупного калибра.
В феврале 1934 г. самолет, получивший обозначение Р-5Т, быстро прошел совместные заводские и государственные испытания, а в марте — специальные для отработки торпедометания в Севастополе.
В 1934 г. завод № 1 построил 33 Р-5Т, еще 50 — в 1935 г.
К 1 января 1936 г. в ВВС Черноморского флота на вооружении находилось 17Р-5Т и 31 машина — в ВВС Тихоокеанского флота (всего 48).
Самолет сравнительно долго находился на вооружении, и к 1 января 1941 г. в ВВС ТОФ еще числилось 12 Р-5Т.
Успешное развитие производства М-34 позволяло надеяться, что какое-то количество построенных моторов все же удастся получить для Р-5. В 1935 г. по инициативе директора завода № 1 А. М. Беленковича конструкторы серийного бюро Д. С. Марков и А. А. Скарбов разработали улучшенную модификацию P-Z с такими существенными изменениями, что фактически машина представляла собой новую конструкцию, выполненную на базе Р-5. Большую помощь в разработке самолета оказал ЦАГИ. Размеры P-Z были меньше по сравнению с Р-5: хорда верхнего крыла на 200 мм, нижнего — на 300 мм, длина фюзеляжа — на 800 мм. Кабина экипажа закрывалась фонарем. На крыле установлены зализы. Шасси с масляно-воздушной амортизацией выполнено с обтекателями по типу ССС. Форма оперения несколько изменилась по форме, и вместо роговой компенсации использована весовая. Введены и другие изменения. Но в целом технология производства P-Z соответствовала технологии Р-5.