朝鲜战争结束后，空战理论与战斗耐纯祥机装备技术水平均有了长足的发展。在越战前，主流的战斗机设计思想包括如下要点：认为飞机的大速度是决定空中优势的主要因素；主张研制多用途战术战斗机；主张以速度和远距离空战取胜；必须具有较大的航程；可以接受格斗性能的下降；忽视航炮的作用；不重视飞行员在空战昌搏中的作用。
飞机设计师们就是按照以上这些想法研制了包括F-4在内的第二代喷气式战斗机。这代飞机的最大速度达M2左右、有的甚至达M3，机载电子设备和武器系统的性能均有较大的提高，重视对地攻击能力，“重型化”倾向明显。从其航空技术水平和飞机的性能来看，确实比第一代战斗机有了明显的提高和发展。但在20世纪60年代后期开始进行的越南战争和其他局部战争中，因为实战中的空战作战方式与原先设想的有很大的差别，第二代喷气式战斗机的使用效果（尤其是空战使用）并不理想。 “鬼怪”的历史始于1953年8月，当时麦克唐纳设计师Herman Barkley领导了一个设计团队，最初的目标是提升公司F3H“恶魔”舰载战斗机的性能和多用途性以获得更多的订单。
1953年9月19日麦克唐纳主动向海军航空局提交了98B方案。海军方面鼓励麦道继续设计一种单座双发全天候攻击机去和北美公司、格鲁门公司竞争。麦道公司在1954年8月向海军正式提交了F3H-G/H方案，海军方面于10月份要求制造2架原型机和1架地面试验机，海军将计划命名为AH-1。1954年12月14日海军正式放弃对飞机的多任务要求，转而要麦道设计一种全天候截击机。军方要求取消机炮和除了机腹副油箱挂点以外的全部挂点。机腹部开槽以便半埋式挂载 4 枚“麻雀”空空导弹，雷达是 APQ-50，飞机改为双座以容纳增加的雷达操作员。
1955 年5 月 26 日航空局在对海军的需求深入研究后要求麦道公司制造 2 架双座全天候战斗机，武器全面导弹化。6 月 23 日下达了正式编号 YF4H-1，这是战斗机的编号。隔天麦道也公布了计划的新代号——98Q。6 月 24 日麦道获得了制造 18 架新飞机的合同，其中包括 2 架原型机和 1 架地面静态试验机。不久该计划又采用了 98S 的代号。1955 年 7 月 25 日海军和麦道签署了详细的 YF4H-1 技术规格清单。海军要求新飞裤拿机能够在距离母舰 250 海里处巡逻 2 小时以上，在不空中加油情况下持续飞行 3 小时以上。同时 F4H 的前期发展计划也得到确认，海军定购了 2 架原型机和 5 架预生产型飞机（BuNo 143388~143392）。YF4H-1 的模型在 1955 年 11 月 17 到 23 日期间接受了检查。飞机将安装 2 台 J79 加力涡喷发动机，进气道为固定式。主要武器是 4 枚半主动雷达制导的麻雀，没有装备机炮。
为了解决新飞机的高速稳定性问题，设计人员做出了几个重大改变。其一是将全动平尾下反 23 度，兼具稳定鳍的作用，这样在获得稳定度的同时也不干扰尾喷管，在大迎角飞行时，下反的尾翼可以从主翼紊流中伸出获得必要的控制力；其二是将主翼的折叠外翼段上反 12 度，并设置锯齿，锯齿产生的涡流可以阻止机翼附面层向翼尖方向发展，推迟分离；另外还将进气道改为带附面层隔离板的式样，使得各种飞行条件下都能为发动机提供最合适的气流。直到 1956 年 12 月 31 日才最终完成设计，而平尾的下反和外翼段的上反造就了“鬼怪”的奇特外形。
YF4H-1 安装了前缘襟翼，从翼尖一直向内延伸到 1/4 翼展处，以机翼折叠处为界分为两部分。在飞机低速飞行时襟翼向下偏转，提高升力。前缘襟翼和后缘襟翼都具有吹气装置，从发动机压气机中引出高压空气向后吹出，使机翼上表面气流在高攻角的状况下不分离。进气道斜板有 5 度的安装角。在雷达罩后面的下机身表面装有电子设备冷却系统的进气口。机翼水平部分的后缘分为两部分，内侧的是襟翼，外侧为襟副翼。襟副翼是副翼的一种，但只能向下偏转，不能向上偏，在它们前面的机翼上表面就是扰流板。如果要向左边滚转，飞行员就会向下偏转右侧襟副翼，同时竖起左边的扰流板，“鬼怪”没有通常意义上的副翼，滚转控制由襟副翼和扰流板完成。外翼段除了前缘襟翼外没有其他操纵面。另外在机翼下表面襟翼前方设置有向下开裂的减速板。全动平尾有 23.25 度的下反角，提供全部的俯仰控制。
1956 年 12 月 19 日海军再次定购 11 架 F4H-1（145307~145317），这是第一批正式生产型。
1957 年 8 月 F4H-1 决定不采用 APQ-50 雷达，改用西屋公司的 APQ-72，而原型机仍然使用 APQ-50。首架 YF4H-1 原计划使用 J79-GE-8 发动机，但由于研制时间拖延而装上了从空军借来的 J79-GE-3A。该机属于技术验证机，没有雷达也不能发射导弹，腹部挂的 4 枚“麻雀”全是模型。为了配平机头装的是压舱物而不是 APQ-50 雷达。在首架原型机上只布置了有飞行员的座位，后座安装的是测试设备。 1958 年 5 月 27 日麦克唐纳公司试飞员 Robert C. Little 驾驶 YF4H-1（142259）完成了首飞，地点在圣路易斯市机场。首飞时起落架没有收起，并发现液压系统和发动机都有些问题，所以首飞时间比原计划缩短，不过飞机还是安全降落了。地面人员更换了右发动机，并把进气道斜板调整为 4 度。第二次飞行在 5 月 29 日，起落架仍然没有收。随后在 5 月 31 日和 6 月 2 日进行的第 3，4 次飞行情况好多了，飞机达到了 1.68 马赫。
第二架 YF4H-1（142260）于 1958 年 10 月首飞。该机安装了 AN/APQ-50 雷达和完整的后座舱。可调进气道斜板的固定部分设定为 5 度，可调部分设定为 10 度。该机的扰流板没有打孔，在左侧进气道的上部安装有冲压空气涡轮。在紧急情况下该涡轮可以驱动一个应急液压泵给操纵系统提供动力。自动驾驶系统为 ASA-32。YF4H-1 144260 还安装了马丁贝克 MK H5 弹射座椅。1960 年该机具备了发射麻雀导弹的能力。
1959 年 7 月 3 日 F4H-1 在圣路易斯麦克唐纳工厂的一个仪式上按公司传统被正式命名为“鬼怪 II”（Phantom II）。项目经理 Don Malvern 原想的绰号是“撒旦”（Satan），而 James S. McDonnell 则想把飞机命名为蜜特拉斯（Mithras，波斯神话中的光明之神）。“鬼怪”后面的罗马字母“II”是为了和第一代“鬼怪” FH-1 相区别。
关于F-4价格，到1974年麦克唐纳·道格拉斯公司共接受订货4974架，其中美国国防部订货3976架，计划费用104.91亿美元，平均每架264万美元；国外订货998架，共支付50.66亿美元，平均每架507万美元。 F-4A：原F4H-1F，舰载舰队防空战斗机，装两台通用电气公司J79-GE-2涡轮喷气发动机，单台加力推力71.1千牛（7200公斤）。没有机炮，装AN/APQ-72空中截击雷达，带4枚“麻雀”III空-空导弹。第一架原型机1958年5月试飞。继两架原型之后订购了21架试验用的飞机和24架预生产型飞机，预生产型（公司编号为Mode 98AM）飞机于1959年首飞。共生产了45架。F4原本要安装两台J79-GE-8发动机，但因为发动机研制的拖延，只能安装J79-GE-2涡轮喷气发动机，型号F4H-1F中的F代表并不是按生产顺序起的后缀名，它只是表示安装了特殊的动力装置。
F-4B：原F4H-1，海军和海军陆战队用的基本型全天候战斗机。装两台J79-GE-8发动机，单台加力推力75.7千牛（7710公斤）。A型和B型都是防空和空战型战斗机，在当时“以导弹代替机炮”思潮的影响下，两者都没有装备机炮。其火力控制设备基本相同，装备的是视准式光学瞄准具、Aero-1A机载导弹控制系统和投放战术核炸弹用的AN/AJB-3（或-3A）姿态参考和轰炸系统。Aero-1A系统包括AN/APQ-72单脉冲搜索/测距雷达、AN/APA-128(F-4A）或AN/APA-157(F-4B）火力控制组（也称目标截击计算机或连续波制导雷达）和AAA-4空对空红外探测器。有部分F-4B飞机被改装成几种专用飞机，计1架EF-4B、2架NF-4B、228架F-4N和44架QF-4B等。飞机有两套操纵系统，后座雷达操作员也可进行操纵。共生产649架，包括12架F-4G。美海军将226架翻修，编号改为F-4N，第一架1973年2月交付，1978年春交付完毕。
RF-4B：原F4H-1P，B型的侦察型，1965年3月试飞。侦察系统同RF-4C，无军械，单操纵系统，共生产46架。30架于1978年底改装，增加了AN/AAD-5红外线扫描设备、AN/APD-10侧视雷达、AN/ASN-92舰上惯性导航系统和AN/ASW-25自动着舰系统。
F-4C：由B型改进的空军用战术战斗机。装两台J79-GE-15发动机，单台加力推力75.7千牛（7710公斤）。主要改变是增加了空对地攻击能力和在后座舱加装了飞机操纵系统。火力控制设备方面的改动是：在导弹控制系统中用APQ-100雷达代替APQ-72，主要改进是增加了地形测绘和手控投弹时显示距离的空对地功能；用AN/APA-157代替AN/APA-128,拆掉了AAA-4红外探测装置；系统编号改为Aero-1A。此外，把AN/AJB-3换成AN/AJB-7姿态参考和轰炸系统、增加了AN/ARW-77“小斗犬”导弹控制器和A24G中央大气数据计算机等。虽然翼下挂架可以挂各种炸弹和火箭弹发射器，但由于没有有效的瞄准设备，攻击精度不高。C型飞机于1965年参加了越南战争，战争后期约有27架F-4C(s/n 68-594～611和s/n 69-349～357）装备了AN/ARN-92罗兰D，用作盲目轰炸时的瞄准测距器（pass finder）。机翼内侧挂架可挂AGM-45“百舌鸟”反辐射导弹。采用两套操纵系统，空中加油装置改为伸缩套管式，代替原来的锥套式。1963年5月试飞，1966年停产，共生产583架，包括出口西班牙36架。
RF-4C：C型的侦察型，用于取代RF-101。为携带侦察设备，机头加长0.84米。带3种主要侦察设备；侧视雷达，用于记录航路两侧地形的高分辨率雷达图；夜间侦察地面情况用的红外探测器；前视和侧视照相机。侦察系统由后座控制。YRF-4C于1963年8月试飞，生产型于1964年5月试飞，1973年底停产，共生产505架。
F-4D：C型的改型，加强了对地攻击能力，用来代替F-105D。装两台J79-GE-15发动机。其1号机（s/n 64-929）于1965年12月9日首飞，1966年3月10日开始交付，共生产了825架。F-4D的火力控制设备增加了AN/ASG-22前置计算光学瞄准具、AN/ASQ-91武器投放计算机、在后座舱中增加了1个电视显示器和外挂的AN/AVQ-10或AN/AVQ-23激光系统吊舱。D型飞机装备的Aero-1A系统使用的雷达和火力控制组分别改为AN/APQ-109和AN/APA-165，增加了空对地测距和手控地形跟踪功能。在第27批以后的飞机的机头加装有红外搜索跟踪装置（IRST）。部分D型飞机的对地攻击武器增加了AGM-65“幼畜”空对地导弹、AGM-62“白星眼”电视制导炸弹以及GBU-8/B、GBU-9/B等制导炸弹等。D型飞机也参加了越南战争，而且F-4D-32以后的部分飞机（约51架）装备了能利用东南亚地区罗兰站进行盲目轰炸的AN/ARN-92罗兰D。装备了AN/APS-107雷达寻的和警戒系统（RHAW）的飞机可以使用AGM-45“百舌鸟”反辐射导弹。1965年12月试飞，共生产825架，其中包括出口伊朗32架，出口韩国36架。
F-4E：D型的多用途改进型，主要用作制空战斗机，兼顾对地攻击。装两台J79-GE-17发动机，单台加力推力79.6千牛（8120公斤）。机身内增加一个7号油箱，总载油量增加。外部挂架数量保持不变，但在前机身内增加了1门固定安装的20mmM61“火神”6管炮。F-4E-41于1967年6月30日首飞，截止到1978年5月31日，共生产了1383架，占F-4的各型飞机生产总数的26.6%，是F-4中生产最多的型别。除美国空军外，还装备了德国（前西德）、韩国、以色列、土耳其、伊朗和埃及等国。F-4E-42-MC(s/n 66-236）以后的部分飞机装备了AN/APR-36和AN/APR-37雷达寻的和警戒系统（RHAW），最终有72架被改装成F-4G“野鼬鼠”电子战飞机。1973年初，F-4E-48-MC(s/n 71-237）以后的飞机装备了AN/ASX-1电/光目标识别系统。后期又用机翼前缘缝翼代替吹气襟翼。1967年6月试飞，截止1978年交付1350架，是F-4各型中生产数量最大的。
F-4EJ：1968年11月日本决定仿制的F-4E，由美国提供两架，其余由日本生产（部分零件由美国提供）。1971年1月试飞。更改设备包括尾部警告雷达和为三菱重工业公司AAM-2空-空导弹配套的发射装置。共生产了140架，1981年5月停产。
RF-4E：德国等国使用的侦察型，除J79-GE-17发动机和侦察设备外，基本上同RF-4C。共生产了138架。
F-4F：德国订购的简化型双座战斗机。机翼采用前缘缝翼，以改善机动性，取消了惯导系统、轰炸系统和空中加油装置，导弹只能用“响尾蛇”，飞机重量减轻1500千克。德国订货175架，1973年5月试飞，1976年7月停产。
F-4G：B型的改型，装AN/ASW-21数据交联通信系统，只生产了12架。
F-4J：F-4B的后继机研制的舰载防空战斗机。3架原型机都是用F-4B改装的，第1架原型机于1965年6月4日首飞，批产型飞机于1966年5月27日首飞。1966年10月1日开始交付，同年12月27日VF101中队开始改装成F-4J战斗机。1969年根据美国海军的加强“响尾蛇”导弹截获能力（SEAM）计划，加装了目视目标截获系（VTAS），后来又加装了AN/AYK-14计算机。总共生产了522架F-4J战斗机，其中有248架后来改装成F-4S战斗机，15架卖给了英国，剩下的飞机被改装成DF-4J和EF-4J。装J79-GE-10发动机，单台加力推力79.6千牛（8100公斤）。采用可向下偏转16.5°的副翼和前缘开缝的平尾，从而降低进场速度，改善着舰性能。改用AN/AWG-10脉冲多普勒火控系统、AN/AJB-7轰炸系统、30千伏安发电机。1966年5月试飞，共生产了522架，1972年停产。
F-4K：英国海军用的改型，由B型改进，但采用了F-4J的某些成果。装两台英国自制的加力式斯贝（开始是RB-168-25R Mk201，后改用Mk202、Mk203)涡轮风扇发动机，进气口加宽152毫米，增加了进气门。用AN/AWG-10脉冲多普勒雷达火控系统，机头雷达罩可折转，以减小飞机长度，适应英国服役中的航空母舰。采用了F-4J的可下垂的副翼和带开缝前缘的平尾，平尾下反角减小到15°。主起落架加强，前起落架支柱加长至1.02米，从而能以最佳安装角弹射。装马丁-贝克弹射座椅，武器包括“麻雀”空-空导弹和“马特耳”空-地导弹。1966年试飞，生产型1969年交付，共生产52架。
F-4M：英国空军用的改型，基本上同K型，用F-4C的低压轮胎和更大的刹车装置，取消平尾的开缝前缘。1967年试飞，共订货118架。50%零件在英国制造。K型与M型换装斯贝发动机，效果不理想。据报道，虽然斯贝发动机的推力比原来的增大12%，但由于外形尺寸特别是直径较大，飞机的某些性能却下降了，如英国型F-4的速度只能达到M2.1，低于其他F-4型号。
F-4S：美海军将265架F-4J改为S型，先加强结构，使服役寿命延长96个月，然后改装前缘缝翼、改进的J79-GE-10B发动机和AN/AWG-10数字式武器控制系统。两架原型机于1977年试飞，改装工作到1983年完成。
“野鼬鼠” 美空军把116架F-4E改型为F-4G“野鼬鼠”型，专用于发现、识别敌方地面防空雷达和地-空导弹阵地，并用反辐射空-地导弹攻击，配合其他战术攻击飞机完成任务。该机除一般的电子干扰设备之外，还有定向天线、计算机控制的接收装置、信号活动监视设备和地对空导弹发射告警装置。F-4G拆去了前机身左侧的20mmM61机炮，武器挂架的数量与F-4E相同。外挂的空对空武器有AIM-9“响尾蛇”和AIM-7“麻雀”导弹；空对地武器有AGM-45“百舌鸟”反辐射导弹，AGM-78标准反辐射导弹，AGM-88高速反辐射导弹，AGM-65“幼畜”空对地导弹，GBU-15制导炸弹，“石眼”反坦克子母弹，通用炸弹，CBU-87综合效应弹药，航空火箭弹和炮舱等。
在中东多次局部战争中，特别是在1982年的叙以贝卡谷地战争中，F-4大出风头。叙军在贝卡谷地部署了20个SA-2 、SA-3 、SA-6导弹营。为了扫除这些威胁，以军先出动小型无人机诱骗目标雷达开机，尔后出动大批F-4“鬼怪”和F-4G“野鼬鼠”飞机使用灵巧炸弹和反辐射导弹（在距目标雷达约35公里处发射AGM -45“百舌鸟”反辐射导弹），仅用了6分钟就摧毁了19个叙利亚导弹营，取得了显赫的战果。
F-4CCV：根据美国空军和麦克唐纳·道格拉斯公司的联合研究计划，在F-4上加装前翼的试验机，用以鉴定随控布局技术在战斗机上的应用。装有全权电传飞行控制系统。和瑞典的Saab-37一样，前翼的位置选在发动机进气道的上方，以在机翼上产生有利涡流，修改外侧襟翼用作进行机动载荷和直接升力控制的襟副翼。为研究随控布局技术，需要减小安定性，为此在后机身下面装了铅块，使重心后移，前翼面积约3.72米2。1972年4月首次试飞。
QF-4靶机：F-4鬼怪飞机的遥控操纵改型，大量用于美国先进对空武器试验。英国BAE系统公司是向美空军提供QF-4靶机的唯一供应商，它将在其位于Mojave的工厂完成改型工作，生产工作将于2008年7月结束。
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