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F-100D“超佩刀”是北美航空研製的具備核攻擊能力的戰鬥轟炸型。1956年1月24日，原型機（生產序號：54-2121）首次試飛。至停產時為止，該型機共生產1274架，佔F－100總產量的50％，是F－100最重要的一個改型。

在外觀上，該機仍保留C型的6個翼下掛架，但採用改進的彈射投放方式，而非原來的利用重力自由投放方式。垂尾和方向舵面積加大，其後緣上部的方形整流罩也加大，以容納雷達告警接收機天線和應急放油管。

F－100D的改進主要體現在航電裝置上。該機裝備了明尼珀利斯－霍尼韋爾公司研製的MB—3自動駕駛儀，從而成為第一種裝備自動駕駛儀的超音速飛機。MB－3的引入大大降低了飛行員的工作負荷，使得飛行員的雙手可以解放出來查閱導航圖或者進行武器瞄準，而飛機則在MB－3的控制下繼續飛向目標。但該系統只能在單機飛行時使用，當F－100D編隊飛行時，MB－3通常是關閉的。其它航電系統包括：AN/APG-30火控雷達，，AN/AJB-1 AN/AJB-1低空轟炸系統（LABS，經過改進，可以用於投放核炸彈），AN/AAR-4紅外搜尋系統，AN/ALR-45雷達告警接收機，AN/ALE-2箔條撒佈器，以及導航和通訊裝置等。

F－100D座艙

進行核打擊時，F－100D可以攜帶MK-7、MK-38、MK-43、Mk 28 EX、Mk 28 RE、TX-43、TX-43 X1等多型核炸彈（通常掛載左翼掛點和機身中線掛點），爆炸威力從1000噸至1000萬噸TNT當量不等。投彈方式主要採用“上仰投彈”（也就是俗稱的“甩投”），利用AN/AJB－1LABS和A－4陀螺瞄準具交聯，進行瞄準並計算投放點。在典型的攻擊任務中，F－100D從超低空以900公里/時的速度突防，接近目標後以4G的過載拉起做一個半斤斗，在這過程中計算機自動計算並投放核彈，飛機到達斤斗頂點時做半滾改平，然後高速脫離，以便逃出核彈的破壞半徑。

F－100D還曾是“雷鳥”飛行表演隊座機。

乘員：1人

長度：15。24 米

翼展：11。82 米

高度：4。95 米

機翼面積：37。22 平方米

空重：9500千克

最大起飛重量：15800千克

動力系統：一具普拉特·惠特尼 J57-P-21/21A 渦輪噴氣發動機，最大推力 4626。91 千克，加力推力 7257。90 千克

最大飛行速度：1。3馬赫（1390。18 千米/小時）

實用升限：11003。28 米

作戰升限：14538。96 米

極限升限：15240 米

航程：3209。96 千米

爬升率：114米/秒

翼載荷：352千克/平方米

推重比：0。46

內部載油量：6582。12 升

掛載副油箱後總容量：8096。12 升

武器：機翼下 6 個掛架，共可掛載 3193。48 千克載荷。可以掛載常規炸彈、副油箱、火箭彈，後期型可掛載一枚 MK-28 或 Mk-43/57/61 核彈，及 4 枚 AIM-9B/E/J 響尾蛇導彈；4 門 20 毫米龐蒂亞克 M-39 機炮。