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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）。“鬼怪”后面的罗马字母“II”是为了和第一代“鬼怪” FH-1相区别。首架真正意义上的量产型F4H-1战斗机于1961年3月25日完成首飞。1961年6月，VF-74中队和VF-114中队成为了首批装备“鬼怪”II战斗机的作战单位，从1962年6月29日开始，VMF（AW）-314中队也正式接收了他们的“鬼怪”II战斗机，由此标志着美国海军陆战队成为了“鬼怪”II战斗机的第二位客户。1962年9月，新任国防部长麦克纳马拉决定改革编号以后，“鬼怪”II战斗机的编号也从F4H-1变更为F-4B，而F-4A的编号从广义上来说指之前的各种原型机和训练机。F-4战斗机发展了多种型号，包括F-4A，F-4B，RF-4B，F-4C，F-4D，F-4E，F-4F，F-4G，F-4K，F-4K，F-4L，F-4M，F-4N，F-4S等。

1961年，是F-4B战斗机进入服役的年份，也是美国海军航空兵成立50周年。海军急于宣扬自己的最新型战斗机，并为此专门制定了计划，名为“创纪录飞行”（Top Flight）。1961 年 12 月 22 日陆战队Robert B. Robinson 中校驾驶 142260 号“鬼怪”创造了 1,606.347 英里/小时的世界绝对速度新纪录，在他的第二次冲刺中“鬼怪”甚至在 45,000 英尺高度上超过了 1,700 英里/小时（2735千米/小时）。这次飞行被称为“天空燃烧者行动”（Operation Skyburner）。

真正意义上的量产型F-4B“鬼怪”II战斗机的故事则要从第25架开始说起（前24架被定为F-4A），它的特点是更换了全新的J79-GE-8引擎。F-4B的航电除了保留原有的火控系统以外，还增加了AN/AAA-4型红外搜索跟踪装置，这样一来即便“鬼怪”II战斗机在不开启雷达的情况下也能通过这套装置搜索和跟踪敌机，同时成为标准配置的还有AN/AJB-3A型全高度轰炸系统，由此一来量产型F4H-1战斗机的投弹精度相比的型号有很大改善，除此以外量产型F4H-1战斗机的主要航电系统还包括AN/ASA-32型自动驾驶系统、AN/ASN-39型导航计算机、AN/ASQ-19型联络导航识别系统、AN/APN-22型雷达高度表和A/A24G型中央飞行数据计算机，甚至未来有12架F4H-1战斗机还将配备AN/ASW-21型双向战术数据链系统。

F-4B“鬼怪”II战斗机主要使用AIM-7D和AIM-7E两款“麻雀”III空对空导弹，AIM-7D是唯一采用液体燃料火箭发动机的“麻雀”，其发动机使用可储存于弹体内的液体燃料，而不必在执行任务之前加注，是可超声速发射的半主动连续波制导的空空导弹。1961年列装的AIM-7D导弹的射程15千米，它装有需要载机持续锁定目标的半动雷达搜索系统。AIM-7E使用Mk38固体燃料火箭发动机，使用Flexadyne CTPB推进剂，飞行速度几乎翻倍，并使其射程增加了两倍。后来生产的AIM-7E配备了Mk52固体燃料发动机，其性能与Mk38相同。使速度提高了一倍，并使其射程增加了两倍，是“麻雀”产量最高的系列，约有25000枚。

F-4B的机腹半埋式挂架可以携带四枚AIM-7“麻雀”半主动雷达制导中距空对空导弹，而机翼内侧的挂架则可以携带两枚AIM-7“麻雀”半主动雷达制导中距空对空导弹或者四枚AIM-9“响尾蛇”红外制导近距空对空导弹，这种武器配置对于一款舰队截击机来说是绝对够用的。

F-4B的机腹挂架可以携带一枚MK28、MK43或者MK57型核弹，同时它也能够选择携带24枚MK81型250磅低阻炸弹、24枚MK82型500磅低阻炸弹和11枚MK83型1000磅低阻炸弹，除此以外还能携带15具Aero 7D型19联装70毫米火箭弹发射巢（内侧机翼挂架可携带3具，机腹6具，外侧挂架6具）或15具LAU-10A型四联装“阻尼”127毫米火箭弹发射巢（内侧机翼挂架可以携带3具，机腹6具，外侧挂架6具），同时还能在机腹选择挂载一个AePo 8A训练撒布器。

1964年8月2日美军自己碰瓷制造了“北部湾事件”后，以此为借口对越南民主共和国（简称北越）发动大规模的空袭。中国还通过多个渠道向美国表示——不得越过北纬17度线。1965年4月9日，游弋在南海的美军航母“突击者”号先后弹射起飞了2批8架F-4B鬼怪战斗机。其中第2批的4架鬼怪深入我国领空，向海南岛飞来。这4架鬼怪所挂载的武器全部都是空空导弹，显然是以空中挑衅和试探为目的。

我军参战部队为中国人民解放军海军航空兵8师24团的4架歼5战斗机。美军参战部队为“突击者”号航母所属的第96舰载战斗机中队（VF-96）的4架F-4B战斗机。缠斗间，美军4号僚机在仓促间发射了2枚“麻雀”空空导弹击落了3号战机。逃离战场的3架鬼怪并未逃脱噩运，在返回“突击者”号航母的途中，1架鬼怪因故障坠海。加上美机在航母弹射起飞时，1架鬼怪因发动机故障坠海。这场战斗的前前后后，美军共损失了3架最先进的鬼怪。

1967年4月24日下午，美国海军出动50余架舰载机，空袭越南北部交通线和重点军事目标。为了防止美国战斗机趁机窜入中国领空袭扰，我空军4架歼-5战斗机立即起飞在边境空域巡逻警戒。下午5点，地面雷达发现，发现两架F-4B“鬼怪”战斗机突然向中国边境飞行，巡逻的歼-5战斗机立刻在中国领空一侧跟踪监视。突然，这两架美军F-4B战斗机突然改变飞行方向，以航向70度向中国领空飞窜。

不大一会，就从广西南部边境的极兴侵入中国领空约20公里。我空军的高炮第10师30团早已潜伏在此，见到美国战斗机，毫不犹豫的向美战斗机猛烈开火，一架美军战斗机当场被击落。另外一架美军战斗机见解放军如此凶猛，顿时吓破了胆，立即扔掉副油箱和火箭架，极速飞出高炮火力区。我方4架空军战机早已组成警戒队形，见这架逃窜的F-4B惊慌失措的逃离了高炮火力区，便同时向其围了过来，果断将其击落。

1963年3月12架装有AN/ASW-21型双向战术数据链的F-4B走下麦克唐纳公司的生产线。这12架战机的机身内的一号油箱被移除并被用于安装额外的通讯设备和进场功率补偿系统，由此一来该数据链便能同航空母舰上的AN/SPN-10型雷达联动以控制战斗机自动进场和着陆，其他构造相比F-4B并没有多少变化。这批共计12架装有数据链系统的“鬼怪”II战斗机被命名为F-4G，其中VF-213“黑狮子”中队曾经带着它们于1965年12月跟随“小鹰”号航空母舰一道参与过越南战争。

除此以外，美国海军还曾在1966年将它们用于测试新的绿色或绿白相间涂装（机腹依然保留着白色涂装，主要改变了机体上方的涂装样式），但结果表明绿色涂装在丛林上空的伪装效果并不明显，甚至当航母在夜间行动时地勤人员也很难看清“鬼怪”II战斗机所在的位置，由此可能会造成许多行动上的不便，因此直到20世纪70年代末期前海军的“鬼怪”II战斗机都保留着纯白色涂装，而之前提到的那套自动进场程序也被证明可行性不高，所以它也被放弃了，最后F-4G项目只能不了了之，所有12架F-4G都回到了美国并且被改回了F-4B的样式，随后F-4G这个编号也将由未来一款空军型“鬼怪”II战斗机所继承。

上世纪70年代，考虑到还有不少F-4B战斗机在航空母舰上的各个中队内服役，美国海军决定同麦克唐纳公司一道启动一项名为“蜜蜂线”的升级项目以便让这些老旧的“鬼怪”II战斗机重新焕发活力。在外观方面，改造完毕以后的F-4B战斗机的机翼内侧前缘襟翼被改为固定关闭的形式，即内侧的前缘襟翼不再因为战斗机执行机动动作等原因而处于展开状态，同时它的机身两侧各有一道突出的鼓状天线。经过改造以后的F-4B战斗机被重新命名为F-4N，其中第一架F-4N战斗机于1972年6月3+1日首飞成功，随后将在1973年2月正式上舰，总改装数量为301架（一说227架），这些F-4N战斗机将在美国海军中服役至80年代为止，其中60架后来被改装为QF-4N靶机并用于新式战斗机的打靶训练教具使用。

F4问世后，其优异性能也引起美国空军的注意，虽然美国海、空两军种间长期对使用对方开发的装备心存芥蒂。但在当时国防部长的推动下，空军收起了不好意思，对F4战机展开了测试评估。测试结果很满意，而此后空军自己的“鬼怪”II战斗机将获得F-110A的编号。1962年空军的F-4，编号为“F-4C”，主要是为了区别海军使用的“F-4B”。两个型号的飞机外形是一模一样的，主要不同集中在内部，例如更换的G79- GE- 15发动机和具有地形测绘能力的APQ- 100雷达。

F4C的主轮采用低压轮胎，主轮宽度加大，因此主翼根部设计了略微凸起的肿包，成为后续F4的家族特色之一。原本位于后座右方的伸缩式受油管取消，改在机背中央设有飞桁式加油管的受油孔。另外在美国空军坚持下，F-4C的后座也设有飞行操控系统，后舱的仪表板高度也相对降低，以改善后座乘员的前方视野。在F4C服役初期，空军采取“双飞行员”的搭配模式，后来才像海军一样，后面的飞行员变成专职操作武器的领航员。

第一架生产型F-4C在1963年5月首飞，生产线从同时间开始工作一直持续到1966年的5月份，整整3年间总计生产了583架。并提供给西班牙空军36架，西班牙也成为唯一的F-4C的海外使用国家。越南战争期间，由于感受到北越防空武器的严重威胁，空军版的F-4飞机需要安装能够有效压制防空的武器系统。陆续改装的版本被称为EF- 4C。改装版的飞机加装了AN/APR- 25雷达寻标与警戒系统、AN/APR- 26地对空飞弹发射警戒系统、ER- 142电子对抗接收器，系统天线分布在机腹和机首下方红外线搜索仪的整流罩中。EF4-C也经常携挂西屋公司AN/ALQ-109主动式电子反制夹舱。

F4-C在空对空武器方面，除了四枚“响尾蛇”红外制导近距离空对空导弹以外，F-4C战斗机也能够在机腹的半埋式挂架上面加装四枚AIM-7D或者AIM-7E“麻雀”半主动雷达制导空对空导弹。空军的F-4C还添加了发射AGM-12型“小斗犬”无线电指令引导空对地导弹的能力。F-4C战斗机能够在机翼挂架上携带四枚AGM-12B或者两枚AGM-12C、AGM-12E型“小斗犬”无线电指令引导空对地导弹（需要使用LAU-34/A型挂架），同时它的内侧机翼挂架可携带两具双联装“响尾蛇”红外制导近距离空对空导弹挂架（LAU-7/A挂架），即总共可以携带四枚AIM-9系列“响尾蛇”红外制导近距离空对空导弹，除此以外它的四个机翼挂架还能携带四枚AGM-45A“百舌鸟”反辐射导弹。

在对地武器方面，F-4C战斗机可以携带B-28EX或RE、B43、B57、B61型核武器， BLU-27/B型750磅燃烧弹、BLU-31/B型750磅反车辆地雷炸弹、BLU-52/B型700磅化学战炸弹、以及CBU系列集束炸弹。除此以外它还能够携带LAU-3/A型70毫米可折叠尾翼式火箭弹（FFAR）发射巢，其中每一具发射巢可以携带19发70毫米火箭弹，而LAU-32/A或LAU-59/A型发射巢可以携带7枚70毫米火箭弹，M129E1型宣传单投送弹、M117系列750磅低阻炸弹、MK82系列500磅低阻炸弹、MK83型1000磅低阻炸弹、MK84型2000磅低阻炸弹、M118型3000磅低阻炸弹、SUU-20/A型训练用炸弹/火箭弹撒布器、SUU-21/A系列训练炸弹撒布器、SUU-25系列热焰弹撒布器和CBU-39或CBU-40系列反人员集束炸弹撒布器。

1965年7月10日，临时派驻越南的美国空军，第45战术战斗机中队，使用F4C取得了越战期间的第1场空战胜利，用AGM-9“响尾蛇”导弹，击落了北越空军的一架米格17战斗机。7月24号该中队的另一架F4C被地对空导弹击落，这是美军在此地损失的第1架飞机。1966年10月5日，美军第8战术战斗机联队，一架F4C被北越空军的米格21战斗机击落，这是美军被空对空导弹击落的第1架喷气式飞机。

1966 年 4 月，美军一架F-4C（480 战术战斗机中队保罗·吉尔默与威廉·史密斯机组）击落了一架米格 -21F-13。在 4 月至 5 月，多场空战中双方互相发射了大量空空导弹，其中米格 -21 发射了 14 发，而鬼怪发射的要更多，然而双方导弹均无命中。1967年11月，部署在岘港空军基地的美军第366战术战斗机联队，在短短时间内由于“不明原因”连续损失八架F-4C“鬼怪”战斗机和16名机组人员。

然而，对于20世纪60年代而言的美国空军而言，F-4C这种仅仅在海军的F-4B基础上延伸出来的型号显然并不是他们所希望获得的最优结果，因此空军在采购583架F-4C后决定将注意力转移至下一款专门为他们设计的“鬼怪”II战斗机上面。作为第一款“血统纯正”的空军型“鬼怪”II战斗机，F-4D首先要做的就是去除所有来自海军的“元素”，其中第一点便是引入当时美国空军使用的AIM-4系列“猎鹰”空对空导弹。AIM-4“猎鹰”是世界上第一型正式批量服役的空空导弹，而且发展出了采用不同制导系统以及战斗部的多种改进型号。“猎鹰”家族的终极型号——AIM-47A“超猎鹰”曾经是世界上第一种最大射程超过200公里的超远程空空导弹，不过最终未能服役。

1967年5月，空军在新的F-4D上换装了AIM-4“猎鹰”导弹，而且为了蓝色清净的世界，空军没给F-4D布设发射AIM-9的线缆，都是为了提高战斗力而生的。 F-4D战斗机可以在位于两侧机翼下方的LAU-42/A挂架上面加装四枚AIM-4D“猎鹰”空空导弹，由此一来基本去除了外表上的最后一个海军“元素”，随后F-4D战斗机也将带着AIM-4D“猎鹰”空空导弹于1967年5月开始参战，但是“猎鹰”空空导弹在越战期间的表现十分惨不忍睹，甚至将其称为“灾难性的失败”也完全不过分，在“滚雷”行动期间F-4D战斗机总共在实战中发射了48枚“猎鹰”导弹，其中只有五枚导弹成功击毁了目标，总体杀伤率低至10%左右。在收到来自前线的大量恶评以后，太平洋空军司令部决定让前线地勤人员紧急为F-4D战斗机进行相应改装以便让后者重新获得使用“响尾蛇”系列空对空导弹的能力。

除了AIM-4D“猎鹰”空对空导弹以外，F-4D战斗机也曾使用过多款具有划时代意义的武器，其中就包括“宝石路”系列激光制导炸弹。在获得“宝石路”激光炸弹后，F-4D战斗机早期通常会在后座增加一台由马丁·马利埃塔公司开发的AN/AVQ-9“宝石灯”激光指示装置，后者由一具陀螺稳定的光学望远镜和一台定向激光发射器组成，在实战过程当中位于后座的武器系统军官（WSO）需要手动操作光学望远镜对准目标，接着按下一具扳机以便启动激光指示装置进行照射，与此同时僚机将投放“宝石路”激光制导炸弹并由携带“宝石灯”的长机进行引导，在此期间飞行员需要驾机环绕目标飞行，由此一来就能形成一个漏斗状的引导圈，僚机只需要将激光制导炸弹投入这个漏斗即可。

1972年4月27日，从乌汶空军基地起飞的隶属于第8战术战斗机联队的F-4“鬼怪”II战斗机携带“宝石路”激光制导炸弹对清化大桥进行了一次精准轰炸，其中有五枚炸弹命中目标并导致桥梁损毁至只能允许步行通过，接着同年5月13日的行动当中“宝石路”再一次大显神威，将清化大桥西面尾部彻底从桥墩上炸塌，从而基本断绝了再次紧急抢修的可能性（直至1973年才再次通车，这时美军早已撤出越南地区了）。

除了“宝石路”激光制导炸弹以外，F-4D战斗机还曾使用过AGM-62“白星眼”电视寻的制导无动力滑翔炸弹，后者起源于1963年位于中国湖地区的美国海军挂载测试中心（后来改名为海军武器中心）发起的电视寻的制导无动力滑翔炸弹项目，当时他们计划为飞行员提供一个可以实现射后不理的高精度制导武器。在经过1964年至1965年期间的激烈竞争以后，马丁公司在1966年1月获得了AGM-62“白星眼”滑翔炸弹的生产订单，接着第一枚“白星眼”滑翔炸弹将在1967年进入服役，同年美国空军也订购了第一批“白星眼”滑翔炸弹，其中位于乌汶空军基地的第8战术战斗机联队已于1967年的实战当中使用过“白星眼”滑翔炸弹。

F-4D战斗机的航电设备最重要的改动就是将F-4C战斗机的固定式光学瞄准具换成了全新的AN/ASG-22前置计算瞄准系统（LCOSS），后者在某种程度上可以看作平视显示器（HUD）的雏形，并可根据不同的需求为空对空和空对地打击任务提供协助，它的适用范围包括SUU-23/A型机炮吊舱、AGM-12空地导弹、AGM-62滑翔炸弹和AGM-45“百舌鸟”反辐射导弹等多种武器。

F-4D战斗机使用的AN/APQ-109雷达和F-4C战斗机的AN/APQ-100雷达相比在性能层面有一定提升，但是总体而言改动幅度不高。F-4D战斗机还配有一台AN/ASQ-91武器投放计算机，它的主要组成部分为一台CP-805/ASQ-91型弹道计算机，可接入AN/ASN-63惯性导航系统和AN/APQ-109雷达的相关数据。除了前置计算瞄准系统和武器投放计算机以外，来自于Block 32和Block 33批次的71架F-4D战斗机还配有一具安装于机身上方的AN/ARN-92“罗兰”远距离导航系统，后者采用三角定位的形式，可保证F-4D战斗机群在越南地区能够全天候地执行作战任务，同时它也能够对固定目标进行精准定位以便引导其他F-4D战斗机对其发起攻击。

1965年12月，第一架量产型F-4D战斗机走下了生产线，接着它在同年12月8日完成首飞工作，其中驻扎于西德境内的彼得堡空军基地的第36战术战斗机联队成了第一支接收F-4D战斗机的作战单位，时间为1966年3月，而第一批提供给东南亚地区的F-4D战斗机直到1967年春季才抵达目的地，其中由著名的奥德斯上校领导的第8战术战斗机联队成了该地区第一支接收F-4D战斗机的作战单位，他们将会在1967年6月5日第一次驾驶F-4D战斗机击落一架米格-17战斗机。

麦克唐纳公司的最后一架F-4D战斗机将于1968年2月28日走下生产线，它的总产量为793架，分为Block 24至Block 33批次，其中有32架F-4D战斗机被交付至伊朗空军，另有18架被销售至韩国空军。F-4D战斗机在“鬼怪”II家族当中拥有很独特的地位，一方面它是第一款真正意义上的空军型“鬼怪”II战斗机，另一方面它也是整个越战期间空战战果最多的（45架）的空军型“鬼怪”II战斗机，其中装备“鬼怪”II战斗机的第555“三角镍”战斗机中队也是战绩最高的空军作战单位。

在最初的几批F-4战斗机上没有安装机炮，并不是因为美国海军认为未来空战已不再需要机炮，而是因为在F-4之前的战机大都把机炮安装在机首两侧，而由于AN/APQ-72巨大的雷达天线占据了F-4机首的大量空间，导致几乎没有空间放置机炮。同时，随着空对空导弹的出现及相关技术的蓬勃发展，各国军方都普遍认为传统的机炮格斗必将走向消亡，在未来空战当中导弹才是真正用于制胜的武器，因此在当时不论西方还是东方的设计师都计划在下一代战斗机或截击机设计中削弱乃至忽略机炮的作用，毕竟在“导弹万能论”的狂热追随者的眼里，机炮这种落后于时代的东西就应该被迅速淘汰，省出有限的空间和重量用于加装更复杂的航电设备。

除F-4“鬼怪”II战斗机外，苏联的米格-21P和PF也取消了机炮（米格-21F-13也是出于减重的目的将固定火力配置减少为一门NR30型30毫米机炮），英国的“闪电”截击机从F.3开始取消了“阿登”型30毫米机炮，直到F.6才在机腹重新加装一具机炮吊舱。

越南空战正式宣告了空空导弹时代的到来，但越南上空的战斗无情地抽了所有“导弹万能论”崇拜者一记响亮的耳光，由于早期AIM-7“麻雀”导弹和AIM-9“响尾蛇”导弹的精度不佳，许多没有携带机炮吊舱的F-4在用完导弹后便无法作战。出于敌我识别以及早期导弹性能不稳定等原因，F-4很难发挥机载AIM-7“麻雀”中程导弹的射程优势，空战往往发生在近距离。在与轻巧灵活的米格机“狗斗”中，没有航炮又比较笨重的F-4性能上并没有太多优势。

美国意识到了机炮的重要性，从1966年5月开始(根据美国空军官方战史的描述则是1965年就有将SUU-16/A吊舱运输至越南，1966年运送的是SUU-23/A吊舱)就有部分F-4C“鬼怪”II战斗机开始在机腹携带SUU-16/A机炮吊舱参加战斗，后者内部装有一门M61A1“火神”20毫米转管机炮，其他的组成部分包括一台冲压式空气涡轮机、供弹系统和电力控制套组，最高射速可达6000发/分钟，炮口初速为1030米/秒，使用弹药为M50系列20毫米炮弹，类别包括训练弹（TP）、高爆燃烧弹（HEI）和穿甲燃烧弹（API），单门吊舱可以装载1200发20毫米炮弹。

由于SUU-16/A机炮吊舱依然存在不少缺陷，因此美国空军很快引入了SUU-23/A机炮吊舱，后者采用一门XM130型（又名GAU-4/A）20毫米导气式转管机炮，它也是“火神”机炮家族中少见的内能源型号（普通的M61为外能源），特点是在四具炮管上加装了导气装置，因此它的炮身比M61重了4.5千克，采用单回路无链供弹系统。越战期间基本所有由SUU-23/A机炮吊舱取得的空战战果都是由F-4D战斗机创造的，而且从Block 37批次开始的F-4D/E战斗机都进行过相应地改装以便让惯性驱动马达能够在不更改武器开关的位置或选择武器的情况下直接通过独立的开关来启动，由此一来便能省下很多繁琐的步骤。

在1967年至1968年期间“鬼怪”II战斗机只有10个战果为通过机炮吊舱取得的，其中有四个战果为SUU-16/A机炮吊舱，六个战果为SUU-23/A机炮吊舱，从中我们可以看出一方面由于“鬼怪”II战斗机在使用机炮时一般会处于低速状态，所以对飞行速度无硬性要求的SUU-23/A机炮吊舱显然在这方面占有优势，但另一方面也能看出机炮吊舱取得的战果在所有空战战果里的比重并不高，原因一方面在于F-4C战斗机仅配有固定式光学瞄准具，同时由于一开始并未考虑使用机炮的情况，因此它的AN/APQ-100火控雷达也没有为机炮提供指示的功能。

麦·道也吸取战场教训在F-4D的基础上继续改进，提升空战能力并兼顾对地轰炸，由此得到了F-4家族的另一个重要型号F-4E，该机于1967年首飞，现在还在服役的F-4均为F-4E及其改型。它是第一种具备机内固定式航炮的F-4战机，在机首下方轴线上配备了一门M61A1型6管20毫米加特林炮。为了装下这门计划之外的大炮，只能缩小位于机首的AN/APQ-72雷达的天线尺寸，对探测性能有一定影响。

F-4E在空战中还有几项利器，其中包括AIM-7E-2或者AIM-7F“麻雀”半主动雷达制导中距空空导弹、AIM-9J或AIM-9P“响尾蛇”红外制导近距空空导弹。1969年，AIM-7E-2导弹开始服役，为了能在近距离空中格斗中派上用场，导弹的引信做了很多改进，并且其弹翼被裁剪，以增加其机动性，因此被戏称为“狗斗麻雀” 。通过改进，AIM-7E-2型导弹增强了近距离作战能力，使得导弹在视线距离内仍能跟踪高速空中目标，并且保留了迎头攻击能力。之后的AIM-7E-3具有进一步改进的引信和更高的可靠性，并且AIM-7E-4特别适用于与高功率战斗机雷达（如F-14的A/AWG-9）一起使用 。尽管存在种种问题，但在越南空战中，有50架飞机被该型号导弹击落。

F-4E战斗机使用的最后一款空战武器为AIM-9P“响尾蛇”空空导弹，这是一款在1978年服役的型号。AIM-9P是美国空军赞助的AIM-9J/N开发项目，主要用于出口到负担不起的国家。作为美国空军的第二代“响尾蛇”导弹，AIM-9J从一开始便被给予了很高的期望。需要，或不允许接收AIM-9L/M。AIM-9P-1引入了DSU-15/B AOTD激光近炸引信和AIM-9P-2 增加了一个减少烟雾的火箭发动机。

AIM-9P-3具有减少烟雾的发动机，新的不敏感弹药弹头和改进的 制导和控制科。一些消息来源说-9P-3保留了AIM-9J的原始红外引信，而另一些消息来源说它也 使用新的 DSU-15/B，如 -9P-1。名称AIM-9P-4适用于具有以下特征的变体 使用AIM-9L / M的一些技术的ALASCA导引头，AIM-9P-5增加了改进的IRCCM。在外部，AIM-9P仍然存在 几乎与AIM-9J/N相同。到目前为止，已经制造了21000多架AIM-9P，其中许多是重建的AIM-9B/E/J导弹。

F-4E战斗机使用过的最著名的对地武器当属AGM-65“小牛”空对地导弹，后者的历史可以追溯至1965年，当时洛克韦尔和休斯公司计划研发一款新式空对地导弹以取代在越战初期表现不佳的AGM-12“小斗犬”空对地导弹，该项目的编号为ZAGM-65A，随后休斯公司于1968年赢得竞标，其中第一枚XAGM-65A导弹于1969年9月完成飞行测试，接着原型弹在1969年12月的发射试验期间直接命中目标，而量产型AGM-65A导弹将于1972年8月进入美国空军的服役序列。

AGM-65B导弹于1975年进入服役，主要配备对象包括F-4E战斗机、A-7D“海盗”II攻击机以及一年后的A-10A“雷电”II攻击机。从Block 36批次的67-343开始的F-4E战斗机都具备使用“小牛”导弹的能力，通常情况下，F-4E战斗机可以在每个机翼的内侧挂架上携带三枚“小牛”导弹，也就是说一架战斗机最高能够携带6枚“小牛”导弹，在当时可以算作非常优秀的对地打击火力。

从Block 48批次的F-4E战斗机开始配备的AN/ASX-1光电目标识别系统（TISEO），后者为第一代电视系统的主要代表作品，内部包括一个真空管成像设备，同时它还采用了像素扫描技术，由此一来就能够通过识别目标飞机的图像的形式在视距外提前发现米格战斗机的存在。在光电目标识别系统的帮助下，F-4E战斗机能够完整地发挥自身的超视距优势，从而让自己的综合性能更上一层楼。

F-4E战斗机机上共有9个外挂点，载重量为8480千克。可挂载AIM-9“响尾蛇”近距格斗弹、AIM-7和AIM-120中距雷达弹等对空武器。也可以挂载AGM-65“小牛”空对地导弹、AGM-78“百舌鸟”反辐射导弹等精确制导武器以及MK-80系列航空炸弹和火箭弹发射巢。当然，F-4也可以挂载当量为300~340000吨TNT的B61核弹执行战术核轰炸任务。

1967年春季，克格勃科学技术局局长奥涅金获得了一份情报，称联邦德国的策勒空军基地即将部署F-4E“鬼怪”战斗机。当时，F-4E是美国空军的主力机型，苏联希望能够获得该机实物了解其实际性能。此外，1966年8月，中东某国的米格-21叛逃到以色列，苏联人也希望能够策划一起类似行动反羞辱一下美国及其盟友。因此，得知此事后的奥涅金立即下达命令，要求德国境内的克格勃潜伏人员偷窃一架F-4E。受领任务的人员共三人，包括一名名为曼弗列德·兰明格的德国建筑师、一名名为约瑟夫·林诺斯基的波兰锁匠，以及作为核心人员的联邦德国空军飞行员沃尔夫·诺普。

就在行动小组策划偷窃F-4E的详细计划时，诺普所在的中队开始列装“响尾蛇”近距空空导弹。由于基地防备松懈，诺普萌生了顺手偷走一枚“响尾蛇”的念头。这个想法得到了兰明格的支持。在诺普对基地进行详细侦察后，行动小组确定在10月7日进行行动，这一天该基地会因投毒诱杀老鼠，因而要求附近住户把自行饲养的狗全部关起来。单天晚上，诺普将策勒空军基地周围的铁丝网剪开一个口，几乎没费力气就流进基地搞到一枚“响尾蛇”，并成功偷运了出去。不过由于三个人中没有一个会拆解导弹，这枚导弹只能被简单地拆解为两部分后裔“商业样品”的名义被寄往莫斯科。

由于行动小组偷窃“响尾蛇”的行动十分成功，克格勃总部拨给小组三万美元作为奖励，这让三个“偷机贼”踌躇满志。但偏偏天有不测风云，就在三人动手之前，策勒基地内一名医生在基地周围采集野菜，误打误撞发现了诺普在铁丝网上留下的破口。随即，基地就发现了丢失一枚“响尾蛇”的情况，调查结果直指诺普。诺普被捕后，德军情报机关又顺藤摸瓜抓到了兰明格和林诺斯基，行动就此告吹。就这样，一架差点到手的F-4E，最终同苏联开了个颇为黑色幽默的玩笑。

1972年5月10日，美国对越南北方发动代号“后卫”（又称后卫-1）的战略大空袭。为此目的，美军在泰国集结了数百架F-4“鬼怪”和F-105“雷公”（主要以F-105G“野鼬鼠”为主），在关岛集结了209架B-52轰炸机，同时海军还动用了“小鹰”号、“星座”号、“中途岛”号和“萨拉托加”号四艘航空母舰（包括300多架F-4、A-6、A-7等舰载机）。行动第一天，美军对河内和海防地区先后发动了四轮大规模空袭，出动了414架次作战飞机，其中空军120架次，海军舰载机294架次。在这些飞机里，F-4“鬼怪”占了大半数。美军轰炸重点是越南北方的铁路交通线，包括铁路转运站和13座铁路桥梁。

1972年5月10日，“后卫”战役第一天，爆发了整个越南战争最激烈的一场大空战。8点52分，第921团的两架米格-21MF在吉碑机场起飞，几分钟后与美海军VF-92中队的两架F-4J遭遇。“鬼怪”在1.1马赫的超音速状态下，发射了多枚新型AIM-9G“响尾蛇”导弹，当场击落一架米格-21MF，越南飞行员身亡。另一架米格-21则以高超的飞行技术，先后躲过了四枚“响尾蛇”，随后发射R-3S“环礁”导弹反击，但未能击中目标。随后，这架米格-21返回了机场。

随后，美空军第555战斗机中队的4架F-4D“鬼怪”，在机载雷达屏幕上也发现了接近的越军两架米格-21战斗机，对方高度为6000米。9点43分，这只“鬼怪”小队凭借雷达优势，在大约15公里距离上，抢先发射了多枚AIM-7E“麻雀”半主动雷达导弹。击落其中一架米格-21。此时，越军的四架歼-6也冲了上来，当时美军飞行员误以为是米格-21。罗伯特·洛奇少校的F-4D再次发射了两枚“麻雀”导弹，其中一枚在一架歼-6附近爆炸，导致越军飞行员黎德安当场阵亡。但其中一家歼-6却将洛奇少校的F-4D击落，洛奇带着两个新战果当场死亡。

10点02分，越军第925团再次起飞了第二个出击编队共四架歼-6，一队“鬼怪”战斗机（第336中队的4架F-4E）刚好滑过了歼-6编队的航线，一架歼-6猛烈开火，击破了一架“鬼怪”的左机翼，这架编号为67-0386的F-4E迅速坠向地面。两名美军飞行员杰弗里·L·哈里斯上尉和丹尼斯·E·威尔金森上尉均没有跳伞，当场丧生。

5月10日12点20分和16点30分，美军先后发起了第三轮和第四轮空袭，美国海军航母舰载机担当了这两轮空袭的主力。在几个小时的战斗中，越南空军又先后出动了数十架次的战斗机进行拦截，基本以米格-17和米格-21为主，歼-6未能再次上阵。战斗中，多架米格-17和米格-21被击落，越军虽然宣称击落了多架“鬼怪”，但实际上未能获得任何战果。当天的四轮空战中，美军宣称击落11架米格机，其中包括4架米格-21和7架米格-17。但事实上，越南在空战中损失了6架战斗机，包括2架米格-21、1架歼-6和3架米格-17，另有一架歼-6因事故损失，六名飞行员战死。