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F-105D 采用升级了的 P&W J75-P-19W 发动机，具备喷水加力能力，最大推力达到了
118kN（12,000 kgp / 26,500 lbf）。进气口也做了改进，以增大进气量。而机身、起落架以及刹车均得到了加强。F-105D
还在腹鳍后增加了着陆钩。
F-105D 参数表翼展
10.59 m
翼面积
35.77 m²
长
19.61 m
高
5.97 m
空重
12,475 kg
最大起飞重量
23,970 kg
最大速度
2,240 KPH
实用升限
13,720 m
带副油箱航程
3,850 kmF-105D 的武器装备与 F-105B 相同，只是最大外挂载弹量达到了 5.45t（12,000
lb），而且可以使用“响尾蛇”空对空导弹与“小猎犬”空对地导弹。
最初 3 架 F-105D-1 的第一架于 1959 年 6 月 9 日首飞，并与 1961
年初交付 TAC。但是直到 1961 年晚些时候，由于没能通过机身的疲劳测试，所有的 F-105D 都只能趴在地面。当然这个问题很快就解决了。
80 架最初的 F-105D 完成后，超过 353 架的 F-105D 是属于
F-105D-25，她们做了一系列细微的改进。在 1962 年到 1964 年间，最早的一批 F-105D 都通过 Look-Alike 计划升级到了