La
construction en série a été
lancée immédiatement, les premiers avions ont
été livrés au premier semestre 1956.
Les premiers F-101A furent livrés aux unités
opérationnelles à partir de mai 1957. Ils
étaient armés de 4 canons de 20 mm et
éventuellement d'une bombe atomique, mais ne
pouvaient cependant pas emporter de bombes classiques. En
effet, suite aux revirements de l'État-Major
américain, le F-101 était maintenant
destiné à servir en tant que
chasseur-bombardier, capable à la fois de missions
air-air et de larguer la bombe atomique. Le F-101A
n'étant pas bien adapté à sa nouvelle
mission d'attaque à basse altitude, une version
F-101C fut mise au point en 1957, avec une structure
renforcée capable d'encaisser 7,33G et quelques
autres améliorations. Elle ne fut cependant
construite qu'à 47 exemplaires avant que l'USAF ne
renonce finalement à utiliser le Voodoo pour
l'attaque. Le reste de la production fut transformé
en RF-101C, version non armée de reconnaissance qui
restait cependant capable d'emporter une bombe atomique, et
subit quelques améliorations du système
photographique durant sa carrière.
Suite aux retards rencontrés sur le programme du
F-102 Delta Dagger, l'USAF commanda dès 1954 une
version F-101B d'interception tout-temps comme solution
d'attente. Il s'agissait d'un avion biplace (1 pilote et 1
opérateur de système d'arme),
équipé de réacteurs J57 plus puissants
avec des tuyères plus longues, d'un avant
modifié pour embarquer le système de tir, et
armé de 4 missiles air-air en remplacement des
canons. Le premier vol eu lieu le 27 mars 1957 et les
livraisons commencèrent en janvier 1959. Cette
version était accompagnée de la version F-101F
destinée à l'entraînement au
système d'arme, mais qui conservait toute sa
capacité de combat. Les F-101B subirent plusieurs
modifications durant leur carrière, comme la
possibilité de tirer le missile air-air à
tête nucléaire AIR-2 Genie, l'ajout d'un
détecteur infrarouge et des améliorations du
système de tir.
Les F-101A et C ainsi que leurs dérivés de
reconnaissance restèrent en service jusqu'au milieu
des années 1960, les derniers furent retirés
des unités de réserve à la fin des
années 1970. De leur côté, les F-101B
commencèrent à être
transférés à la Garde Nationale
à la fin des années 1960 et furent
définitivement réformés au début
des années 1980. Après l'abandon du CF-105
Arrow, le Canada commanda 56 F-101B d'interception et 10
F-101F d'entraînement, qui lui furent livrés
entre juillet 1961 et mai 1962. Il s'agissait d'appareils
d'occasion prélevés sur les unités de
l'USAF, initialement armés uniquement de missiles
air-air "classiques" Falcon. À partir de 1965, les
Voodoo canadiens purent également disposer de
missiles à tête nucléaire AIR-2 Genie,
mais ceux-ci restaient la propriété des
États-Unis et étaient mis en œuvre sous leur
contrôle. Entre 1970-1972, les CF-101 restants furent
renvoyés aux États-Unis et remplacés
par 66 autres, toujours d'occasion, mais
révisés et incluant les dernières
améliorations apportées aux exemplaires
américains. Les CF-101B et CF-101F restèrent
en service dans la RCAF jusqu'à fin 1984. Deux
exemplaires furent néanmoins conservés
jusqu'en avril 1987, dont l'un transformé en EF-101B
destiné à la guerre électronique.
En 1959, Taïwan acheta 8 RF-101A d'occasion qu'elle
utilisa pour des missions de reconnaissance jusqu'à
la fin des années 1970. Il semble que quelques
RF-101C américains aient également
été loués par Taïwan pendant
l'été 1962. Le 27 novembre 1957, quatre
RF-101A établissent plusieurs records de
traversée des États-Unis, dont un aller-retour
Los Angeles-New York (7 871 km) à une vitesse moyenne
de 1 161 km/h.
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