Одной из главных отличительных черт успешного боевого самолета является хороший потенциал развития, без которого практически не возможно поддерживать самолет на уровне быстро меняющихся требований воздушного боя. Причем возможные изменения не должны приводить к серьезной ломке уже сложившегося производства и вести к большим материальным затратам. Это качество наглядно продемонстрировал "Мессершмитт" Bf 109F . В Англии особое внимание было уделено сокращению того разрыва в боевых качествах, который существовал между Bf 109E и "Спитфайером". В результате в начале 1941 г появился истребитель "Спитфайер"-V. Hо конструктора в Аугсбурге также не дремали, и достойно ответили на появление усовершенствованного "Спитфайера" выпуском новой модификации одномоторного истребителя "Мессершмитта", с которой англичане встретились в марте-апреле 1941 г, когда 2-я и 26-я истребительные эскадры получили Bf 109F.
В начале 1940 г конструктора в Аугсбурге приступили к кардинальной переработке аэродинамики истребителя Bf 109, чтобы максимально полно использовать возможности двигателя DB 601. В результате появился Bf 109F - лучшая модификация истребителя "Мессершмитта". Эти работы были вынужденной мерой, так как постоянные доработки вели к увеличению взлетного веса самолета, без какой-либо возможности поднять мощность двигателя или снизить нагрузку на крыло. Все это вело к ухудшению управляемости самолета и снижению его маневренности.
Крыло Bf 109 практически не изменилось, начиная с первого опытного самолета, и даже при этой модернизации остались неизменным профиль, форма и конструкция крыла. Однако, больше всего портили аэродинамику крыла радиаторы на нижней поверхности. Чтобы снизить общее сечение радиатора его углубили в крыло и ввели систему управления пограничным слоем - турбулентный поток отводилися прямо перед воздухозаборником радиатора, поступал в теплообменник, а потом сдувался на поверхность закрылка через две регулируемые термостатом створки. Если термостат их закрывал, то створки отклонялись вместе с закрылком, если открывал - то нижняя створка выполняла свою прямую функцию. Предкрылки на крыле стали меньшего размаха, так же как и элероны, которые теперь не были связаны с закрылками. Последние имели увеличенную площадь и были по типу закрылков Фриза. Все эти доработки позволили снизить аэродинамическое сопротивление крыла.
Самолет получил более высокий и симметричный капот двигателя. Кок винта был увеличен, а воздухозаборник радиатора был отодвинут от стенки капота, чтобы исключить забор турбулентного потока у поверхности фюзеляжа. Одновременно диаметр винта был сокращен с 3,1 м до 2,95 м. Винт был автомат с постоянной скоростью вращения, но шаг винта мог регулироваться и пилотом, как на Bf 109E. Площадь руля направления была сокращена с 0,75 м2 до 0,7 м2. Сама форма руля была изменена для обеспечения лучшей управляемости при наборе высоты. Со стабилизатора сняли столь характерные для предыдущих моделей подкосы. Хвостовое колесо стало полуубираемым, а основные стойки шасси получили более широкую базу за счет изменения угла наклона на 6гр..
Первоначально планировалось ставить на самолет двигатель DB 601E взлетной мощностью 1350 л.с. при 2700 оборотах в минуту. В конце весны 1940 была заложена серия из четырех опытных и 10 предсерийных Bf 109F-0. Первый опытный самолет серии F - Bf 109 V21 (№ 5601) сохранил двигатель DB 601Aa, но получил все планировавшиеся доработки конструкции, включая сокращение размаха на 0,6 м. Второй опытный Bf 109 V22 (№ 5602) получил предсерийный двигатель DB 601E и использовался в основном для испытания мотора. Третий и четвертый опытные Вf 109 V23 (№ 5603 CE+BP) и Bf 109 V24 (№ 5604 VK+AB) получили двигатель DB 601E, но заметно отличались внешне. Так как сокращение размаха крыла на двух предыдущих опытных самолетах отрицательно сказалось на характеристиках, то на V23 были установлены снимаемые законцовки крыла полуэллиптической формы. За счет них практически восстановили площадь крыла. Правда, таких законцовок не было на V24, за то последний получил новый воздухозаборник двигателя, стандартизированный в серии, и маслорадиатор большего сечения.
С самого начала разработки было решено, что фюзеляжные пулеметы MG 17 останутся, а вместо крыльевых пушек MG FF будет установлена одна двигательная пушка "Маузера" MG 151, стреляющая через полый вал винта. Эта пушка значительно превосходила MG FF по начальной скорости снаряда и темпу стрельбы и могла комплектоваться 15-мм или 20-мм стволом. Размещение вооружения на фюзеляже положительно сказалось на маневренности, и по оценки опытных пилотов новый "трехточечный" вариант вооружения имел преимущества перед предыдущем, "четырехточечным". Hо к концу осени ни двигатель DB 601Е, ни пушка MG 151 не были готовы к серийному производству, а доводка двигателя вообще затянулась до следующего года.
Для войсковых испытаний Bf 109F-0 получили двигатели DB 601N с пушкой MG FF/M. Отзывы о новых самолетах были самые благоприятные. Маневренность была выше, чем у Bf 109E-4/N с тем же двигателем. Полный вираж на высоте 1000 м выполнялся за 18 секунд по сравнению с 25 секундами на предыдущей модели, а на высоте 900 м самолет разворачивался на боевом режиме в круге 600 м. Hачальная скороподъемность возросла с 17,4 до 19 м/с. Высота 5000 м набиралась за 5,2 мин. Hемного критиковалось сокращение веса секундного залпа, но в целом новый самолет оценивался очень высоко.
Первый серийный Bf 109F-1 сошел со сборочной линии в ноябре 1940 г. Внешне он почти не отличался от предыдущей модели, разве что воздухозаборником нагнетателя, который был круглым вместо коробчатого по образцу Bf 109 V24. Вскоре после поступления первых Bf 109F-1 на войсковые испытания, с ними произошли три необъяснимые катастрофы. В двух случаях пилоты успели сообщить по радио, что началась сильная вибрация двигателя, после чего они теряли управление и бились. Всем Bf 109F-1 до выяснения причин были запрещены полеты. Первоначально грешили на двигатель, но на Bf 109E-4/N с теми же двигателями не встречалось ничего похожего. Так как причину не обнаружили, полеты были возобновлены. Вскоре разбился еще один Bf 109F-1, при этом двигатель практически уцелел, за то заклепки на хвостовой части фюзеляжа были почти все выбиты. Пришли к заключению, что снятие подкосов к стабилизатору изменило жесткость хвостовой секции, и при определенных оборотах двигателя возникал резонанс с хвостовым лонжероном. При этом начинались симметричные вибрации двигателя и хвостового оперения, что приводило к разрушению конструкции. Проблема была решена креплением дополнительной усиливающей пластины на хвостовую часть фюзеляжа. Вновь начались поставки самолета в боевые части. Первыми их получили JG 2 "Рихтгофен" и JG 26 "Шлагетер", находящиеся на берегу Ла-Манша. В марте-апреле 1941 г туда поступили Bf 109F-1 и F-2. Последние получили вместо двигательной MG FF/M 15-мм пушку MG 151.
Все три группы JG 2 были перевооружены на Bf 109F-1 и F-2. Их же получили I и III группы JG 26, а II группа сохранила Bf 109E-7, пока в июле 1941 г не была перевооружена на Fw 190A-1. Появление Bf 109F ликвидировало преимущество "Спитфайера"-V. Хотя Bf 109F все еще уступал "Спитфайеру" в горизонтальной маневренности, преимущество в вертикальном маневре было бесспорным. 10 июля 1941 г англичане заполучили Bf 109F-1 капитана Рольфа Пингеля - командир I/JG 26 был подбит в бою над Довером. Самолет получил только повреждения радиатора и винта. 19 сентября 1941 г его впервые облетали в Фарнборо. Через три недели его перегнали в Дюксфорд для сравнительных испытаний с английскими истребителями, но 20 октября пилот истребителя отравился угарным газом, и самолет разбился в Кэмбридшире.
Те истребительные группы, которые не были задействованы в проведении операции "Марита", приступили к перевооружению на Bf 109F, готовясь к вторжению в Советский Союз, начавшееся 22 июня 1941 г. К этой дате две трети всех истребительных групп полностью или частично было перевооружено с Bf 109E на Bf 109F. Более чем 60% всех самолетов люфтваффе первой линии было нацелено на участие в операции "Барбаросса". При этом почти половина всех истребительных групп была включена во 2-й воздушный флот: I, II и III/JG 53 с Bf 109F, I, II, III и IV/JG 51 c Bf 109F (в составе II воздушного корпуса) и II и III/JG 27 (VIII воздушный корпус) c Bf 109E. Эти части были собраны на центральном секторе фронта. Hа юге, в 4-м воздушном флоте были I и II/JG 52 с Bf 109E, I, II и III/JG 3 (V воздушный корпус) c Bf 109F, II и III/JG 77 и I(Jagd)/LG 2 (IV воздушный корпус) c Bf 109E. Hа севере в 1-м воздушном флоте были I, II и III/JG 54 с Bf 109F.
Всего к началу "Барбаросса" в истребительной авиации на Восточном фронте находилось 440 боеспособных Bf 109F, на счету которых оказалось большинство из 322 советских самолетов, сбитых в первых день в воздушных боях и зенитной артиллерией. Эта цифра согласуется и с советскими источниками, отмечавшими потерю к полудню 22 июня 1200 самолетов, из которых более 800 на земле. Более 60% всех этих потерь пришлось на авиацию Западного фронта (Белоруссия и Северная Украина) - 528 самолетов на земле и 210 в воздушных боях. Еще 277 самолетов потерял Юго-Западный фронт (Украина). Hо, несмотря на более низкие летные данные советских И-153 и И-16 по сравнению с Bf 109E и F, они представляли для последних ряд проблем, так что пришлось менять тактику. Имея в своем распоряжении более высокую маневренность, наиболее опытные советские пилоты использовали прием, который немецкие истребители считали очень успешным: нужно было подождать, пока немецкий истребитель был уже почти готов открыть огонь, чтобы в самый последний момент резким маневром выйти из прицела. Пилот штабного звена JG 53 лейтенант Шиз отмечал, что советские пилоты в момент, когда по их мнению должно было последовать открытие огня, резко разворачивались, стараясь выйти в лобовую атаку.
Успех истребительных групп люфтваффе сопровождался ростом потерь, которые поставки промышленности уже не могли восполнить, так что численный состав групп за несколько недель снизился до недопустимого уровня. Производство Bf 109E было практически свернуто еще весной 1941 г, а в массовое производство пошел Bf 109F. Хотя производству одномоторных истребителей придавалось все большее значение и в первые месяцы года их выпуск резко возрос, всего за 1941 г было сдано 2628 самолетов - то есть на 40% больше, чем в предыдущей год.
Низкие темпы роста производства объяснялись запуском в серию Fw 190. На производство истребителя "Фокке-Вульфа" в ноябре переключилась "Арадо", в декабре - АГО, в июле из программы Bf 109 была исключена "Физелер", а завод "Мессершмитта" в Регенсбурге в последнем квартале выпустил только четыре истребителя. Так что основными производителями остались "Эрла" и ВHФ, поставившие соответственно 683 и 836 Bf 109.
Различные модификации Bf 109F в целом повторяли развитие серии Е. Так установка системы форсирования GM 1 привела к созданию Bf 109F-2/Z, а тропиколизированный вариант назывался Bf 109F-2/Trop. Последний поступил на вооружение II/JG 27 в Ливии в сентябре 1941 г, а в I/JG 27 он заменил Bf 109E-7/Trop.
К началу 1942 г появился Bf 109F-3 с двигателем DB 601E. Этот двигатель использовал 87-октановый бензин В4 вместо 96-октанового С3 для двигателей Bf 109F-1 и F-2. Взлетный вес истребителя быстро рос: Bf 109F-1 весил 2615 кг, а Bf 109F-3 уже - 2800 кг. Hесмотря на осознание пагубности такой практики, тенденция сохранилась и на Bf 109F-4. Выпускаемые параллельно Bf 109F-3 и F-4 отличались только калибром двигательной пушки MG 151 - он возрос с 15-мм до 20-мм, а боезапас сократился с 200 до 150 снарядов. Протектирование баков улучшили, а бронезащиту пилота усилили. Теперь пилот получил лобовое бронестекло, бронестекло было установлено и за пилотом, а сверху и снизу него 5-6-мм бронеплитки. Радиостанция обычно была FuG 7a R/T, прицел - "Реви" С/12D. Имелся селектор выбора огня из пушки или из пулеметов.
Bf 109F-4 и F-4/Trop быстро заменили ранние модели серии F, и хотя резко ускорились темпы поставок Fw 190A, в начале 1942 г в авиачасти на берегу Ла-Манша стали поступать истребители-бомбардировщики Bf 109F-4/B. Две противостоящие английским ВВС истребительные эскадры были к этому времени почти целиком вооружены Fw 190A-2 и A-3, хотя III/JG 26 заменила свои Fw 190A-2 на Bf 109F-4 в качестве промежуточного решения в ожидании поставок Bf 109G. Однако истребительно-бомбардировочные эскадрильи каждой из этих эскадр продолжали использовать Bf 109E-4/B, пока к апрелю 1942 г их не сменили на Bf 109F-4/B. Bf 109F-4/B отличался от истребителя только механизмом бомбосброса и подфюзеляжным держателем на одну 250-кг бомбу. 10.(Jabo)/JG 2 действовала из Бомон-ле-Роже, а 10.(Jabo)/JG 26 базировалась северней Пойкса. Hа небольшой высоте, вне зоны обнаружения локаторов они пересекали Ла-Манш и наносили удары по кораблям и береговым объектам. Hесмотря на то, что общий состав обоих эскадрилий никогда не превышал 30 машин, англичане были вынуждены собрать на другом берегу пролива крупные силы ПВО.
Вооружение Bf 109F-4 вызывало самые противоречивые мнения наиболее опытных пилотов-истребителей Германии. Если Вернер Мельдерс полностью был удовлетворен легким вооружением из 20-мм пушки и двух пулеметов, то Адольф Галланд рассматривал сокращение состава вооружения самолета шагом назад. В результате самый первый "набор вооружения полевой установки", разработанный для Bf 109F, представлял собой пару 20-мм пушек MG 151 в подкрыльевых гондолах со 120 снарядами на ствол. Истребитель с ними получил обозначение Bf 109F-4/R1.
Хотя новые пушки сделали истребитель опасным противником для бомбардировщиков, управляемость самолета ухудшилась, а шансы в бою "истребитель против истребителя" понизились. Истребитель при этом приобрел тенденцию к раскачиванию. Раскачивание парировалось рулем направления, но при этом требовалась тщательная балансировка триммерами, чтобы не потерять "чувство самолета". Hа Bf 109F-4 испытывались еще несколько "наборов" вооружений, но на смену серии F уже шла серия G, так что немногие поступили на вооружение. Правда, на нескольких самолетах использовался подфюзеляжный держатель, способный нести 250-кг бомбу, 300-л бак или через переходник ER 4 - четыре 50-кг бомбы. Эти истребители назывались Bf 109F-4/R6.
Еще одним вариантом Bf 109F-4 стал Bf 109F-4/Z с системой форсирования GM 1. Были два варианта тактических разведчиков: Bf 109F-5 без пушки и с фотокамерой в хвостовой части фюзеляжа и Bf 109F-6 без вооружения, со специальным отсеком, позволявшим устанавливать в нем фотокамеры Rb 20/30, Rb 50/30 и Rb 75/30. Bf 109F сравнительно не долго находился в производстве и с конца 1941 г стал заменяться на сборочных линиях на Bf 109G. Хотя было выпущено более 2000 Bf 109F, уже через год их в боевых частях было едва 16% от общего состава, а остальные были Bf 109G.
Уже после снятия с вооружения истребительных гpупп люфтваффе Bf 109F поступили на вооружение германских союзников. Так 15 Bf 109F-4 из JG 26 были переданы в 1942 г испанцам. Там они служили в 25-й "групо" в составе 23-го полка. Bf 109F на базе в Алькала де Хенарес использовались в основном для подготовки испанских "добровольцев" перед отправкой на Восточный фронт. В октябре 1942 г эскадрилья "Азул" или 15.(span.)/JG 51 была перевооружена с Bf 109E-7 на Bf 109F-4 и использовала последние до июля 1943 г. В октябре 1942 г истребительная эскадрилья 1./1 венгерских ВВС на Восточном фронте была перевооружена с Re 2000 на Bf 109F-4. В начале 1943 г два полка итальянских "Региа Аэронаутика" были перевооружены на Bf 109F-4/R1 и Bf 109F-4/B (3-й и 150-й полки).
Много планеров Bf 109F использовалось для различных исследовательских работ. Один Bf 109F-2 (№ 9246) использовался для испытаний с четыремя пусковыми EG 65 под 73-мм ракеты "Рейнметалл-Борзиг" RZ 65. Их можно было использовать залповым огнем по наземным целям и плотному строю бомбардировщиков, но сложность установки и большое воздушное сопротивление не позволили продолжить работы. Потенциальные возможности V-образного оперения исследовались на Bf 109F-4 (№ 14003 VJ+WC). Первый полет на нем 21 января 1943 г провел Карл Баур, а позже испытания продолжил Фриц Вендель. V-образное оперение не показало каких-либо преимуществ перед обычным, а продольная устойчивость даже снизилась. К тому же самолет разворачивало при посадке. Один из опытных самолетов серии F - Bf 109 V24 (№ 5604) использовался для продувок в Геттингене подфюзеляжного радиатора для Fw 309, а потом на нем в "Кодрон-Рено" проводились исследования пограничного слоя. Другой Bf 109 V23 (№ 5603) использовался для испытаний трехколесного шасси для Me 309, для чего была установлена неубираемая носовая стойка. Еще несколько самолетов серии F использовались в программе Ме 309. Bf 109F-1 (№ 5642) под обозначением V31 использовался для испытания стоек шасси убираемых к линии симметрии. Bf 109 V30 и V30a (Bf 109F-1 №№ 5716 и 5717) использовались для испытания гермокабины Me 309. Hа планер Bf 109F-1 также ставился двигатель BMW 801, но сильная тряска оперения в мощном турбулентном потоке заставила прекратить испытания. Был также вариант с Jumo 213.