В июле «Локхид» получила двигатель J65-W-7 с форсажной камерой, развивавший тягу до 4600 кгс. Его немедленно установили на самолет и расширили скоростной диапазон летных испытаний до 1,4-1,6М. Выходить на большие скорости не позволял нерегулируемый воздухозаборник.

С постройкой второго опытного XF-104 (N9 53-7787, борт FG-787) не спешили. Все выявляемые недостатки первого экземпляра старались устранить на этой машине. Кроме того, на нее установили полный комплект бортового оборудования, включая систему управления оружием и встроенную 20-мм шестиствольную пушку М61 Vulcan (новое обозначение пушки Т-171). По своим характеристикам она была эквивалентна пяти 20-мм пушкам М-24.

Первый полет второго опытного XF-104 состоялся 5 октября 1954 г. Поначалу испытания шли гладко, но, когда приступили к стрельбе из пушки, проблемы посыпались, как из рога изобилия. Огромная сила отдачи и вибрации при стрельбе приводили к частым отказам самой пушки и авиационного оборудования, а 17 декабря очередные стрельбы закончились серьезной аварией. После нескольких очередей ЛеВиер почувствовал сильный удар по левому борту, и пушка прекратила стрельбу. С самолета сопровождения доложили, что из лючка пушечного отсека течет топливо. Попадание его в воздухозаборник грозило пожаром и взрывом, поэтому ЛеВиер решил остановить двигатель и немедленно идти на посадку. До аэродрома было около 70 км. Заложив крутой вираж, пилот развернул самолет и выпустил шасси. Высота стремительно падала, вместе с ней уменьшались и шансы на спасение, ведь катапультирование производилось вниз. Риск был огромным, но посадка на дно сухого озера Роджерс, которое использовалось на базе Эдвардс в качестве аэродрома, прошла успешно.

Осмотр машины показал, что один снаряд взорвался в казенной части и вырвал крепежный болт, который пробил переднюю перегородку топливного бака. После ремонта испытания продолжились.

14 апреля 1955 г. на втором образце XF-104 произошла более серьезная авария, и опять виной всему оказалась пушка. В том полете летчик-испытатель Герман Салмон по прозвищу «Рыба» (Herman «Fish» Salmon) должен был проверить работу орудия на сверхзвуковой скорости и высоте 16000 м. Пушка работала со сбоями, и самолет сильно вибрировал.

Внезапно амплитуда колебаний начала расти, и стреляющая пушка сорвалась с креплений. Снаряды повредили люк в нижней части самолета, через который производилось катапультирование летчика.

Скоростным напором крышку вырвало, и давление в кабине резко упало. Высотно-компенсирующий костюм Салмона раздуло до такой степени, что он едва могуправлять самолетом. Салмон немедленно катапультировался. Расследование показало, что самолет все же можно было спасти, снизившись и подождав, пока костюм не примет прежнюю форму.

Потеря второго опытного образца серьезно повлияла на график летных испытаний системы вооружения. Чтобы наверстать упущенное, пушку установили на перехватчик F-94C Starfire, и всю оставшуюся программу по тестированию орудия «откатали» на нем.

Первый образец XF-104 продолжал полеты. 15 марта под управлением летчика-испытателя Рэя Гудпи (Ray Goudley) он достиг максимальной скорости 1,79М на высоте 18300 м. Это была самая большая скорость, показанная опытными машинами за весь период испытаний. Самолет летал еще более двух лет и разбился 11 июля 1957 г. В тот день летчик Билл Парк (Bill Park) сопровождал на нем серийный F-104A, и на опытной машине возник флаттер хвостового оперения. Пилоту пришлось катапультироваться.

Параллельно с испытаниями опытных машин на заводе в Бербанке разворачивалось производство предсерийной партии из 17 самолетов, получивших обозначение YF-104A. Во время их изготовления отрабатывался весь технологический процесс для массового производства истребителя.

В конструкцию этих самолетов было внесено немало изменений. Как раз к моменту начала работ над YF-104 фирма «Дженерал Электрик» выпустила опытную серию двигателей XJ79-JE-3 с тягой на форсаже 6700 кгс, которые немедленно решили установить на все 17 самолетов. Flo двигатель J79 имел большие геометрические размеры, поэтому фюзеляж YF-104A пришлось удлинить на 1,65 м, за счет цилиндрической вставки за кабиной летчика.

Больший диаметр двигателя не позволил сохранить прежнее положение проводки управления стабилизатором, рулем направления и воздушными тормозами, и конструкторы вынесли ее в небольшой гаргрот.

Следующие серьезные изменения коснулись воздухозаборников. Конструкторы изменили их форму и, наконец, установили систему регулирования. Кроме того, у входа в новый воздухозаборник появилась небольшая щель, которая направляла часть воздуха через двигательный отсек к форсажной камере. Этот воздух охлаждал ее и одновременно уменьшал донное сопротивление самолета. В состав оборудования YF-104A ввели радиотехническую систему ближней навигации TACAN и усовершенствовали систему управления огнем.

Учитывая результаты испытаний XF-104 на устойчивость, предсерийные истребители оборудовали системой, предотвращавшей «перетягивание» ручки управления и выход машины на закритические углы атаки. По достижении заданного значения угла система вызывала энергичную тряску ручки, а если летчик продолжал тянуть ее на себя, то ручка принудительно отклонялась в обратном направлении, и стабилизатор переводился на пикирование.

На самолетах появилась возможность подвески вооружения под крылом на двух пилонах. Подфюзеляжный пилон изначально рассчитывался только на подвеску ядерной бомбы. В ходе эксплуатации серийных машин на него разрешат подвеску баков с напалмом и пушечных контейнеров. Доработки привели к возрастанию максимальной взлетной массы на 1444 кг.

Второй предсерийный YF-104А во время показа на авиабазе Палмдейл. Секретные воздухозаборники закрыты обтекателями. 16 февраля 1956 г.

Предсерийный YF-104A № 55-2961 во время отработки в NASA системы реактивного управления по программе подготовки к сверхвысотным полетам

YF-104A № 55-2965, потерпевший аварию 13 ноября 1959 г.

Первый YF-104A (N9 55-2955) выкатили из сборочного цеха в феврале 1956 г. Его опять разобрали и, соблюдая секретность, перевезли на авиабазу Эдвардс. 17 февраля летчик-испытатель Герман Салмон совершил первый облет самолета.

За день до этого события на авиабазе Палмдейл (Palmdale) в Калифорнии для военных устроили закрытый показ второго YF-104A (№ 55-2956). Воздухозаборники машины скрывали временные обтекатели, чтобы не рассекречивать их систему регулирования.

Необычный вид самолета поразил даже видавших виды специалистов, и его мгновенно окрестили «ракетой с крыльями». Машину представляли Кларенс Джонсон и летчик-испытательТони ЛеВиер. Последний заявил, что скорость нового истребителя ограничивается только опасным перегревом конструкции, и на большой скорости ему приходилось больше обращать внимание не на указатель приборной скорости, а на указатель температуры. ЛеВиер не обошел вниманием и высокую скороподъемность истребителя. По его словам, начав подъем на высоте 9000 м при скорости 1М, самолет за несколько секунд забирается на 21000 м и при этом разгоняется до порядка 1,5М. По мнению летчика, такие характеристики приведут к полному изменению тактики воздушного боя, который сведется к преследованию противника и его перехвату на высокой скорости без какого-либо подобия маневренного боя.

Fla церемонии впервые объявили официальное название самолета Starfighter (с англ. — звездный боец). Первые официальные фотографии, сделанные во время показа, военные передали прессе только через месяц, а внешний вид воздухозаборников рассекретили в середине лета 1956 г.

Все 17 предсерийных самолетов использовались для испытаний по различным программам. На них оценивались прочностные характеристики F-104, варианты конструкции системы управления пограничным слоем, ранние модификации двигателей J79 (-3, -ЗА, -ЗВ) и вооружение. По их результатам в конструкцию вносились новые изменения. Так, под фюзеляжем появился гребень длиной 1,5 м, улучшавший путевую устойчивость на сверхзвуковой скорости. Конструкцию фюзеляжа усилили для повышения максимальной эксплуатационной перегрузки до 7,3д. В составе вооружения появились ракеты АІМ-9В Sidewinder с пусковыми устройствами на законцовках крыла.