YF-104A 是装备J79 发动机的研制发展用的试验机，开始装备的是J79-GE-3，后来换装成改进了加力燃烧室的J79-GE-3A，军用推力为 4,220 千克，加力推力为 6,710 千克。在换装发动机的同时加长了机身，增加了机内的燃油量。加装了腹鳍，垂尾后移，装备1门固定式的 20 毫米 M61“火神”6 管炮。美国空军于1954年10月17日订购了 17 架，第1架飞机于1956年2月17日首飞。60年代部分 YF-104A 被改装成 QF-104A 无人靶机。
F-104A 是单座截击型，装备加力推力为 6,710 千克的J79-GE-3A 发动机。装备1门固定式的 20 毫米 M61“火神”6 管炮，有 5 个武器挂架。F-104A-1 和F-104A-5 两批飞机装备 MA-10（AN/ASG-14T1）火力控制系统。F-104A-10 以后的飞机装备 AN/ASG-14T2 火力控制系统，其基本组成与 MA-10 系统相同。1955年10月开始订购，总共生产了 153 架，1958年1月开始交付，同年 12月交付完毕。先后装备了第 83、第 56 和第 337 截击机中队。后来有部分F-104A 战斗机换装成加力推力 8,120 千克的J79-GE-19 发动机。由于这种飞机航程短和火力弱，特别是不能装备与地面“赛其”防空系统交联的数据传输设备，于 60年代初全部退出现役转入国民警卫队的第 151（田纳西州）、第 157（北卡罗来纳州）和第197（亚利桑纳州）3 个飞行中队。在“柏林危机”期间，上述 3 个中队于1961年11月～1962年8月先后被动员重新进入现役，并在欧州展开，第 151 和第197 中队部署在前西德，第 153 中队部署在西班牙。紧张局势缓和后，3 个中队的飞机再次配署给防空空军（ADC），分别划归第 319 和第 331 两个截击机中队。在1962年10月“古巴危机”时再次担负了战斗警戒任务。F-104A 截击机的最后退役时间是1969年12月（第319中队解散），前后总共服役 12年。退役后的F-104A 飞机中，1 架改成 CF-104的原型机，3 架被改成超高空飞行训练用的 NF-104A，24 架（含部分 YF-104A）被改成无人靶机，10 架买给了巴基斯坦空军，25 架买给了我国台湾省，16 架买给了约旦。
F-104B 是 A 型的双座教练型，发动机与 A 型相同。增加了尾翼面积，去掉了机炮，保留了 4 个外挂架，可挂 2 枚“响尾蛇”空对空导弹。火力控制系统是 AN/ASG-14T1。1957年1月26日首飞，共生产了 26 架。
F-104C 是战斗轰炸型，装备加力推力为 7,165 千克的J79-GE-7 发动机（军用推力 4,540 千克），具有有限全天候性能力。1958 的 9月开始交付，1959年6月交付完毕，共生产 77 架。装备了第 479 战术战斗机联队的 4 个中队。这型飞机装备1门固定式的 20 毫米 M61“火神”6 管炮，有 5 个外挂架。装备有 AN/ASG-14T2 火力控制系统。No.56-938 以前的F-104飞机装备扰协光环计算瞄准具。部分F-104C（No.57-910 以后）飞机的光学瞄准具去掉了光学测距装置，因而光环大小不再改变，其直径为 50 mil。在火控计算中使用雷达测量的目标距离。1965～1967年期间，一部分F-104C 被派往越南参战。1967年第 497 联队换装成F-4 战斗机，F-104C 退出现役后配署给国民警卫队的第198 战术战斗机中队，1975年从国民警卫队退役。
F-104C装备的武器分为固定安装的机炮和外挂的导弹、各种炸弹和火箭弹等两部分。在前机身座舱下左侧机内安装有1门 20 毫米 M61“火神”（Vulcon）6 管炮，备弹量为 480 发。机炮系统总重约 300 千克（包括供弹装置和弹药等）。
F-104C 战斗机共有 5 个外部武器挂架：两个翼尖挂架（N0.1 和 N0.5）、两个翼下挂架（N0.2 和 N0.4）、1 个机身下挂架（N0.3）。翼尖挂架是专用挂架，每个最大挂载能力为 454 千克，可挂1枚“响尾蛇”AIM-9 空对空导弹或1个664升副油箱；每个翼下挂架的最大挂载能力为 454 千克 ，可挂1枚实际重量小于 454 千克的炸弹、或1个火箭弹发射器、或1个739升的副油箱；机身下挂架的最大挂载能力为 907 千克。在 5 个挂架中只有 N0.2～N0.4 三个挂架可挂载各种空对地武器。几种典型火力配置方案如下：
1、F-104C 空对空截击
（1）每个翼尖挂架挂1枚“响尾蛇”AIM-9 导弹，每个翼下挂架挂1个MA-2 火箭弹发射器；
（2）每个翼尖挂架挂1枚“响尾蛇”AIM-9 导弹，每个翼下挂架挂1个739升的副油箱；
（3）翼尖挂架挂两个664升的副油箱，翼下挂架挂两个MA-2 火箭弹发射器；
2、F-104C 空对地攻击
（1）每个翼尖挂架挂1枚“响尾蛇”AIM-9 导弹，每个翼下挂架挂1个MA-2 火箭弹发射器，机身下挂架挂实际重量小于 907 千克的炸弹；
（2）每个翼尖挂架挂1枚“响尾蛇”AIM-9 导弹，每个翼下挂架挂1颗 454 千克炸弹，机身下挂1颗 454 千克炸弹；
（3）每个翼尖挂架挂1个664升副油箱，每个翼下挂架挂1个MA-2 火箭弹发射器；
（4）每个翼尖挂架挂 1个664升副油箱，每个翼下挂架挂1颗 454 千克炸弹，机身下挂1颗 454 千克炸弹。
（5）每个翼尖挂架挂1个664升副油箱，每个翼下挂架挂1个739升副油箱，机身下挂1颗 B28E X型核炸弹或 B43、B57、B61 核炸弹。
F-104D 是 C 型的双座教练型，发动机与 C 型飞机相同，去掉了机炮，保留了 5 个外挂架（有的资料说机翼下没有外挂架，只在翼尖挂“响尾蛇”导弹）。1958年11月开始交付，1959年9月交付完毕，共生产了 21 架。
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