Параллельно с серийным выпуском истребителей-бомбардировщиков F-105D фирма Рипаблик пыталась заинтересовать ВВС США в двухместной всепогодной ударной модификации самолета, получившей обозначение F-105E. Несколько самолетов модели «Е» начали строить, но в 1959 г. ВВС категорически отказались от двухместной версии истребителя-бомбардировщика. Самолеты достроили как обычные F-105D. Маневры менеджеров фирмы дали эффект в 1962 г. — был получен заказ на производство двухместных учебно-боевых самолетов F-105F.

Наличие кабины второго члена экипажа привело к удлинению носовой части фюзеляжа на 774мм (30,5 дюйма). Чтобы компенсировать некоторую потерю путевой устойчивости, связанную с удлинением передней части истребителя-бомбардировщика площадь вертикального оперения была увеличена на 15 %. Несмотря на несколько большую массу, летные характеристики F-105F сохранились на уровне F-105D. Прототип двухместного учебно-боевого самолета (заводской номер 62-4412) совершил первый полет 11 июля 1963 г. Всего до прекращения серийного производства «Тандерчифов» в 1964 г. изготовили 143 самолета варианта F-105F.

Двухместный «Тандерчиф» не являлся учебным в общепринятом смысле этого слова. По мнению командования ВВС ограниченный обзор из второй кабины не позволял обучать летчиков, самолет предназначался для повышенной подготовки пилотов, в первую очередь обучению полетам по приборам в сложных метеоусловиях и ночью, а также тренировкам на боевое применение. До Вьетнама этой машине не придавали особого значения, но вышло так, что двухместные «Тады» сошли со сцены много позже, чем одноместные.

Истребители-бомбардировщики F-105D на стоянке заводского аэродрома фирмы Рипаблик в Фэрмингдэйле, июнь I960 г. Сдаточные испытания самолетов проводили летчики фирмы. Два крайних слева самолета в верхнем ряду стоят на газовочных площадках. Большие трубы снижают уровень шума работающих двигателей, позволяя техникам гонять движки в течение длительного времени, не создавая чрезмерного неудобства окружающим. Еще два «Тандерчифа» загнаны носовыми частями фюзеляжей под навесы для проверки всепогодного радиоэлектронного оборудования.

Три истребителя-бомбардировщика F-105D сфотографированы на стоянке авиабазы Эглин, на переднем плане — F-105D-1-RE 60- 0530. Самолеты принадлежат 335-й тактической истребительной эскадрильи «Chifs», которая базировалась в Сеймур-Джонсоне, штат Северная Каролина. На авиабазе Эглин личный состав эскадрильи проходил переучивание на F-105D. На переднем плане — щит с эмблемой 335-й эскадрильи, обозначающий место стоянки самолетов подразделения на авиабазе Эглин.

Компоновка самолета F-105D

1-диэлектрический носовой обтекатель (откидывается влево); 2-антенна радиолокатора; 5-радиолокационная станция NASARR R-14A; 4-антенна радиокомпаса; 5-передний отсек электронного оборудования; 6- пушка М-61 с гидроприводом; 7-пушечный канал; 5-снарядный барабан (беззвеньевое питание); 9- гильзосборник; 10-газификатор жидкого кислорода; //-штуцер для заправки кислородом; 12-горловина для заправки топливом в полете: 13- приемник топлива в полете; 14- ПВД; 15-лобовое бронестекло; 16-боковые слоистые панели; /7-аварийная ветрянка привода генератора переменного тока; /5-фонарь с электроприводом; 19-кнопка аварийного выключения привода фонаря; 20- наружный замок фонаря; 21-рукоятка сбрасывания фонаря; 22-радиолокационный прицел; 23- агрегат кондиционирования воздуха; 24-левый и правый отсеки электронного оборудования; 25-отсек гидросистемы; 26- носовая стойка шасси (убирается вперед); 27-шлиц-шарнир; 28- гидропривод управления с электрическим включением; 29-аккумулятор автомата торможения; 30-рулежная фара- 31-радиолокационный рефлектор; 32-технологический разъем'; 33-пол кабины; 34-регулируемый воздухозаборник; 35- перегородка для отвода пограничного слоя; 36-воздушный тракт двигателя; 37-дополнительный заборник, открытый при выпущенном шасси; 38-кованый лонжерон центроплана: 39- передний узел крепления крыла; 40-задний узел крепления крыла; 41-отклоняющийся носок крыла (максимально на 20°); 42-привод 41; 43-закрылки Фаулера (отклоняемые на 34°,5); 44-кованый лонжерон; 45-фрезерованная обшивка; 46- пятисекционные интерцепторы; 47-направляющие для 43; 48-элероны слоистой конструкции, применяемые при малых скоростях; 49- гидропривод элеронов; 50-механизм совмещения отклонения элеронов с интерцепторами; 5/-трубопроводы от подвесных баков; 52-заправочная горловина подвесного бака; 53- подвесной бак емкостью 1700 л; 54-контейнер для заправки топливом при использовании самолета в качестве заправщика; 55-передний топливный бак; 56-главный топливный бак; 57- задний топливный бак; 58-слив из баков; 59-узел крепления главной стойки шасси; 60-складывающийся подкос; 61-многодисковые тормоза с автоматом торможения; 62-люки доступа к топливным бакам; 63-ТРД; 64-пожарные перегородки из нержавеющей стали; 65-пожарная перегородка; 66-перепуск воздуха; 67-маслобак емкостью 20 л; 68-слив масла; 69-маслозаправочная горловина; 70-доступ к узлу крепления двигателя на направляющей; 7/-группа агрегатов (два лючка снизу); 72-люк в воздушный тракт двигателя; 73-кожух компрессора и турбины; 74-охлаждающий воздух к форсажной камере; 75-выход воздуха из 73; 76-отсоединение тяги руля направления; 77-отсоединение хвостовой части фюзеляжа (4 болта); 78-отсек гидроусилителя руля направления; 79-форсунки форсажной камеры; 80-привод регулирования сопла; 81- ось поворота стабилизатора; 82-четырехлепестковые воздушные тормоза; 83-привод воздушных тормозов; 84-лепестки на взлете открываются на 19°; 85-отклонение лепестков при выпущенном шасси ограничено; 86-плоскость турбины; 87-отсек посадочного парашюта; 88-доступ к антенне; 89-демпферы «зуда»; 90-горловина для заправки топливом под давлением; 91-пороховой стартер; 92-бак для воды емкостью 136 л; 93-основной гидробак в колодце шасси; 94-снаряд «Булпап»; 95- в крыле нет топливных баков: 96-аккумулятор емкостью 100 а›час. 97-ветрянка; 98- аварийный и вспомогательный гидроаккумуляторы; 99-вспомогательный гидробачок и заправочная горловина; 100-выхлоп из 17; 101-контейнер с практическими бомбами; 102-гидроцилиндр сбрасывания бомбы

Носовая часть фюзеляжа самолета F-105D была на 16,3 дюйма (41,4 см) длиннее, чем у F-105В. Дополнительные объемы в носовой части фюзеляжа потребовались для размещения радиоэлектронного оборудования, делавшего «Тандерчиф» всепогодным. Место установки 20- мм пушки «Вулкан» не изменилось, хотя из-за более длинной носовой части фюзеляжа может создаться впечатление будто бы пушка на F-105D по сравнению с F-105B сдвинута назад. Восстановленный «Тандерчиф» демонстрируется в музее авиабазы Эглин, Вальпараисо, шт. Флорида.