North American P-51 Mustang

Nguồn gốc

Vào năm 1939, ít lâu sau khi Thế Chiến II bùng nổ, chính phủ Anh Quốc thành lập một ủy ban mua sắm tại Hoa Kỳ, do Sir Henry Self dẫn đầu. Cùng với Sir Wilfrid Freeman, "Thành viên Hàng không về Phát triển và Sản xuất", được trao toàn bộ trách nhiệm về sản xuất, nghiên cứu và phát triển cho Không quân Hoàng gia vào năm 1938. Self phụ trách Tiểu Ủy ban Cung ứng thuộc Hội đồng Hàng không (Anh Quốc) (hay "Ủy ban Cung ứng"), và một trong nhiều nhiệm vụ của Self là tổ chức việc sản xuất máy bay chiến đấu Mỹ cho Không quân Hoàng gia Anh. Vào lúc đó sự lựa chọn rất bị giới hạn: không có chiếc máy bay Mỹ nào đáp ứng được những tiêu chuẩn của châu Âu; chỉ có chiếc Curtiss P-40 Tomahawk là gần đạt. Nhà máy của Curtiss đang chạy hết công suất, nên kiểu máy bay này cũng đang thiếu hụt để cung cấp.
North American Aviation lúc ấy đã cung cấp chiếc máy bay huấn luyện Harvard của họ cho Không quân Hoàng gia, nhưng ít được sử dụng. Chủ tịch của North American là James H. Kindelberger đã tìm đến Self để chào bán chiếc máy bay ném bom hạng trung mới của họ, chiếc B-25 Mitchell. Thay vào đó, Self đã hỏi North American xem họ có thể sản xuất chiếc Tomahawk theo giấy phép nhượng quyền từ Curtiss hay không.
Kindelberger đã trả lời rằng North American có thể có một máy bay tốt hơn với cùng kiểu động cơ trong một khoảng thời gian ngắn hơn thời gian cần thiết xây dựng một dây chuyền để sản xuất P-40. Ủy ban Anh Quốc đặt ra các điều kiện là chiếc máy bay tiêm kích mới phải được trang bị bốn súng máy Anh quốc Kiểu.303, gắn động cơ Allison V-1710 làm mát bằng dung dịch, giá thành không vượt quá 40.000 Đô la mỗi chiếc, và chiếc máy bay đầu tiên phải được giao hàng vào tháng 1 năm 1941. Từ lúc bắt đầu chính thức đặt hàng ngày 24 tháng 4, chiếc nguyên mẫu lăn bánh ra khỏi xưởng lắp ráp vào cuối tháng 8 và thực hiện chuyến bay đầu tiên vào ngày 26 tháng 10 năm 1940, đây quả là một thời gian thai nghén thiết kế ngắn đáng kể.
Với tư cách là lãnh đạo cao nhất của Bộ Công nghiệp Hàng không Anh Quốc (MAP), Freeman đặt hàng 320 chiếc máy bay vào tháng 3 năm 1940; và đến tháng 9, MAP gia tăng số lượng đặt hàng thêm 300 chiếc. Vào ngày 26 tháng 6 năm 1940, MAP hợp đồng với Packard cho phép chế tạo những phiên bản cải tiến của kiểu động cơ Rolls-Royce Merlin theo giấy phép nhượng quyền.
Kết quả của việc đặt hàng từ MAP là kế hoạch NA-73X (bắt đầu từ tháng 3 năm 1940). Việc thiết kế tuân theo quy trình thực hành tốt nhất thường áp dụng trong lĩnh vực này, nhưng bao gồm hai tính năng mới. Một là kiểu cánh mỏng (laminar flow) mới do NACA thiết kế, vốn có độ cản rất thấp ở tốc độ cao. Hai là việc sử dụng kiểu thiết kế tản nhiệt mới (một việc mà Curtiss đã không thành công) tận dụng luồng khí thải nóng thoát ra từ động cơ dưới dạng lực đẩy phản lực được biết đến như là "hiệu ứng Meredith". Vì North American không có được một hầm gió phù hợp, họ đã sử dụng hầm gió GALCIT dài 3 m (10 ft) tại Caltech. Điều này đã dẫn đến những tranh luận rằng liệu hệ thống tản nhiệt khí động học của chiếc Mustang được phát triển bởi kỹ sư Edgar Schmued của hãng North American hay do Curtiss, cho dù các sử gia và các nhà nghiên cứu phủ nhận những luận điệu về việc đánh cắp kỹ thuật; vì North American đã từng mua của Curtiss trọn bộ số liệu kết quả thử nghiệm trong hầm gió của những chiếc P-40 và XP-46 cũng như kết quả các cuộc bay thử nghiệm với giá 56.000 Đô la Mỹ.
Trong khi Không lực Lục quân Hoa Kỳ có thể ngăn chặn mọi sự mua bán những thiết bị mà họ có thể quan tâm, trường hợp của chiếc NA-73 được xem là đặc biệt. Để cho sự giao hàng không bị gián đoạn, một sự dàn xếp với Ủy ban Cung ứng Anh-Pháp đã được Oliver P. Echols, lúc đó còn là một Đại tá, thực hiện để Không quân Hoàng gia có thể nhận được kiểu máy bay này, đánh đổi lại North American sẽ cung cấp cho Không lực Mỹ hai chiếc máy bay mẫu miễn phí.
Chiếc nguyên mẫu NA-73X được hoàn tất chỉ trong vòng 117 ngày kể từ khi được đặt hàng, và bay chuyến bay đầu tiên vào ngày 26 tháng 10 năm 1940, chỉ trong vòng 178 ngày sau khi được đặt hàng, một khoảng thời gian thai nghén ngắn đáng kể. Nhìn chung, chiếc nguyên mẫu điều khiển tốt và việc bố trí bên trong cho phép mang một trữ lượng nhiên liệu đáng kể. Nó được trang bị bốn súng máy M1919 Browning 7,62 mm (0,30 inch) bố trí trên cánh, và bốn súng máy M2 Browning 12,7 mm (0,50 inch) gồm hai khẩu trên cánh và hai khẩu phía trên mũi máy bay. Để so sánh, chiếc Spitfire Vb đương thời của Anh quốc trang bị hai pháo 20 mm và bốn súng máy 7,7 mm (0,303 inch).

Mustang I/P-51/P-51A

Người ta nhanh chóng nhận ra rằng tính năng bay cho dù ưu việt ở độ cao cho đến 4.600 m (15.000 ft) sẽ bị suy giảm đáng kể ở độ cao lớn hơn. Sự suy yếu này phần lớn là do bộ siêu tăng áp cơ khí một tầng một tốc độ được gắn trên động cơ Allison V-1710 sẽ suy giảm công suất nhanh chóng nếu ở trên giới hạn độ cao hoạt động. Trước kế hoạch Mustang, Không lực Mỹ tiếp tục phát triển động cơ Allison tập trung chủ yếu vào bộ turbo tăng áp theo khuyến cáo của General Electric, vốn đã chứng tỏ được độ tin cậy và đem lại sự tăng cường động lực đáng kể trên chiếc P-38 Lightning và các máy bay hoạt động ở tầm cao khác, đặc biệt là những máy bay ném bom bốn động cơ. Đa số các thiết kế khác sử dụng động cơ Allison được sử dụng ở độ cao thấp, nơi chỉ cần dùng một bộ siêu tăng áp. Bộ turbo tăng áp tỏ ra không thực tiễn để gắn trên chiếc Mustang, và Allison bị buộc phải sử dụng bộ siêu tăng áp không tương xứng sẵn có.
Cho dù như vậy, tính năng khí động học tiên tiến của chiếc Mustang là một lợi điểm, khi chiếc Mustang Mk I nhanh hơn khoảng 48 km/h (30 dặm mỗi giờ) so với chiếc máy bay tiêm kích Curtiss P-40 đương thời sử dụng cùng kiểu động cơ (Allison V-1710-39 công suất 1.220 mã lực/910 kW ở độ cao 3.200 m/10.500 ft, quay một bộ cánh quạt ba cánh Curtiss-Electric có đường kính 3,2 m/10 ft 6 in). Mustang I cũng nhanh hơn khoảng 48 km/h (30 dặm mỗi giờ) so với chiếc Spitfire Mk VC ở độ cao 1.500 m (5.000 ft) và nhanh hơn 56 km/h (35 dặm mỗi giờ) ở độ cao 4.600 m (15.000 ft), cho dù chiếc máy bay Anh được trang bị động cơ mạnh hơn.
Hợp đồng sản xuất đầu tiên nhận được từ Anh Quốc cho 320 chiếc máy bay tiêm kích NA-73 được người Anh đặt tên là Mustang I (tên Mustang được chọn bởi một thành viên trong Ủy ban Cung ứng không rõ tên). Hai máy bay trong lô này được giao cho Không lực Lục quân Hoa Kỳ với tên gọi XP-51. Khoảng 20 chiếc Mustang Mk I được giao hàng cho Không quân Hoàng gia và bắt đầu tham gia chiến đấu vào ngày 10 tháng 5 năm 1942. Với tầm bay xa và tính năng bay xuất sắc ở độ cao thấp, nó được sử dụng hiệu quả trong vai trò trinh sát chiến thuật và tấn công mặt đất trên Eo biển Anh Quốc, nhưng bị cho là ít có giá trị trong vai trò máy bay tiêm kích vì tính năng bay kém ở độ cao trên 4.600 m (15.000 ft).
Một hợp đồng thứ hai cho Anh Quốc để sản xuất thêm 300 chiếc (NA-83) Mustang I. Đến tháng 9 năm 1940, 150 máy bay đặt tên bởi North American là NA-91 được tiếp tục đặt hàng trong Chương trình Cho thuê-Cho mượn. Nó được Không lực Mỹ đặt tên là P-51 và ban đầu gọi tên thông dụng là "Apache" cho dù cái tên này sau đó bị bỏ rơi và cái tên của Không quân Hoàng gia "Mustang" được dùng thay thế. Người Anh đặt tên kiểu này là Mustang IA; nó cũng tương tự như kiểu Mustang I ngoại trừ các khẩu súng máy trên cánh được tháo bỏ thay thế bằng bốn pháo nòng dài Hispano HS.404 20 mm.
Một số máy bay trong lô này được Không lực Mỹ trang bị như là máy bay trinh sát hình ảnh và đặt tên là F-6A. Người Anh cũng trang bị một số máy bay Mustang I các thiết bị tương tự. Ngoài ra, hai chiếc máy bay trong lô này được gắn động cơ Merlin do Packard chế tạo, và được North American đặt tên là NA-101 và Không lực Mỹ ban đầu đặt tên là XP-78, sau đó đổi thành XP-51B.
Ngày 23 tháng 6 năm 1942, một đơn hàng được đặt để mua 1.200 chiếc P-51A (NA-99), nhưng sau đó giảm xuống còn 310 chiếc. Kiểu P-51A là phiên bản đầu tiên được Không lực Mỹ đặt mua như một kiểu máy bay tiêm kích, sử dụng kiểu động cơ mới Allison V-1710-81 được cải tiến từ phiên bản V-1710-39, dẫn động một bộ cánh quạt ba cánh Curtiss-Electric đường kính 3,3 m (10 ft 9 in). Vũ khí trang bị được thay đổi thành bốn khẩu súng máy Browning 12,7 mm (0,50 in) gắn trên cánh, hai khẩu mỗi bên cánh, với khả năng chứa tối đa 350 viên đạn cho khẩu phía trong và 280 viên cho khẩu phía ngoài. Các cải tiến khác được thực hiện song song cùng với kiểu A-36, bao gồm một ống hút không khí được cải tiến cố định thay thế cho kiểu di động được trang bị trên những kiểu Mustang trước đây và trang bị các đế trên cánh cho phép mang thùng nhiên liệu phụ vứt được loại 284 L (75 gal) hoặc 568 L (150 gal), giúp gia tăng tầm bay đường trường lên đến 4.410 km (2.740 dặm) với các thùng nhiên liệu phụ cỡ 568 L (150 gal). Tốc độ tối đa của nó đạt đến 658 km/h (409 dặm mỗi giờ) ở độ cao 3.000 m (10.000 ft). 50 máy bay đã được chuyển sang Anh Quốc và phục vụ dưới tên gọi Mustang Mk II trong Không quân Hoàng gia.

P-51B và P-51C

Vào tháng 4 năm 1942, Không quân Hoàng gia Anh thử nghiệm chiếc Mustang và nhận thấy tính năng bay của nó ở tầm cao không đạt. Vì thế, nó được dự định chỉ để thay thay thế những chiếc Tomahawk trong các phi đội Chỉ huy và Phối hợp Lục quân; nhưng viên sĩ quan chỉ huy rất bị ấn tượng bởi tính cơ động và tốc độ của P-51 ở tầm thấp, nên đã mời Ronnie Harker thuộc bộ phận bay thử nghiệm của Rolls Royce bay thử nó. Các kỹ sư Rolls-Royce nhanh chóng nhận ra rằng nếu trang bị chiếc Mustang bằng động cơ Merlin 61 với bộ siêu tăng áp hai tầng hai tốc độ sẽ cải tiến tính năng bay đáng kể, nên bắt đầu cải tiến năm chiếc máy bay thành kiểu Mustang X. Ngoài việc trang bị lại động cơ, đòi hỏi việc chế tạo khung gá cho động cơ được thiết kế bởi Rolls-Royce và một bộ cánh quạt tiêu chuẩn Rotol bốn cánh đường kính 3,3 m (10 ft 9 in) lấy từ chiếc Spitfire Mk IX [16], kiểu Mustang Mk X chỉ là một sự thích ứng trực tiếp từ khung sườn chiếc Mustang Mk.I, giữ lại thiết kế tản nhiệt và hút gió nguyên thủy. Phó Tư lệnh Tham mưu Không quân là Sir W.R. Freeman đã vận động hành lang một cách ầm ỉ cho những chiếc Mustang gắn động cơ Merlin, nhấn mạnh đến việc chuyển hai trong số năm chiếc Mustang X thử nghiệm cho Carl Spaatz thuộc Không lực 8 Hoa Kỳ tại Anh Quốc để thử nghiệm và đánh giá.
Việc cải thiện tính năng bay ở tầm cao thật đáng ngạc nhiên: chiếc Mustang X số hiệu AM208 đạt tốc độ 697 km/h (433 dặm mỗi giờ) ở độ cao 6.700 m (22.000 ft) và chiếc số hiệu AL975 thử nghiệm lên đến trần bay tuyệt đối 12.400 m (40.600 ft).
Những chiếc nguyên mẫu XP-51B có độ thích nghi khung máy bay cao hơn, do việc gắn động cơ lên khung máy bay được thực hiện chuyên biệt và thiết kế lại toàn bộ ống dẫn đến bộ tản nhiệt. Bản thân khung máy bay được gia cố, và khung máy bay cùng các điểm gắn động cơ được làm chắc chắn hơn do trọng lượng nặng hơn của loại động cơ Packard V-1650-3, 766 kg (1.690 lb) so với 605 kg (1335 lb) của kiểu Allison V-1710. Nắp động cơ cũng được thiết kế lại hoàn toàn để có thể mang được động cơ Packard Merlin, do bộ tản nhiệt làm mát khí nạp (intercooler) được gắn bên trong vỏ hộp bộ siêu tăng áp có kích thước cao hơn 13 cm (5 inch) và sử dụng một bộ hút gió rút lên trên thay cho bộ chế hòa khí rút xuống của kiểu Allison. Kiểu động cơ mới dẫn động một bộ cánh quạt bốn cánh Hamilton Standard đường kính 3,9 m (11 ft 2) có các vòng đệm làm bằng cao su đúc cứng. Một bộ tản nhiệt mới, bộ làm mát khí nạp và bộ làm mát dầu động cơ đặt trong một ống dẫn trong thân được thiết kế để đáp ứng nhu cầu làm mát lớn hơn của động cơ Merlin. Ngoài ra, vì lựa chọn loại cánh quạt bốn cánh, người ta phải loại bỏ vĩnh viễn bộ phận đồng bộ súng máy gắn trên thân, vì gần như không thể tránh khỏi việc bắn trúng cánh quạt.
Vũ khí trang bị cho P-51B (NA 102) gồm bốn khẩu súng máy M2/AN Browning 12,7 mm (0,50 in) gắn trên cánh, hai khẩu mỗi bên cánh, với khả năng chứa tối đa 350 viên đạn cho khẩu phía trong và 280 viên cho khẩu phía ngoài như của phiên bản P-51A và các đế bom/thùng nhiên liệu phụ bên ngoài (lất từ thiết kế của A-36); các đế được chế tạo để có thể mang đến 225 kg (500 lb) vũ khí và có thể mang các thùng nhiên liệu phụ vứt được. Các vũ khí trang bị được ngắm bằng bộ ngắm quang học N-3B có trang bị cụm đầu A-1 cho phép ngắm cả súng và ném bom bằng cách thay đổi góc của kính phản xạ.
Phi công còn có thể lựa chọn bộ ngắm vòng tròn và chữ thập cổ điển gắn trên nắp động cơ. Tùy chọn này bị loại bỏ với những chiếc phiên bản D đời sau.
Những chiếc nguyên mẫu XP-51B đầu tiên bắt đầu được bay thử nghiệm từ tháng 12 năm 1942. Sau cuộc vận động hành lang kéo dài ở cấp cao nhất, Hoa Kỳ bắt đầu sản xuất những chiếc Mustang do North American thiết kế trang bị động cơ Packard Merlin V-1650 thay cho kiểu động cơ Allison, từ đầu năm 1943. Việc phối hợp khung P-51 và động cơ Merlin sinh ra các phiên bản P-51B và P-51C: Kiểu B (NA-102) được sản xuất tại Inglewood, California trong khi kiểu C (NA-103) được sản xuất tại một nhà máy mới ở Dallas, Texas, được đưa vào hoạt động từ mùa Hè năm 1943. Không quân Hoàng gia Anh đặt tên cho những kiểu này là Mustang III. Trong các thử nghiệm tính năng bay, chiếc P-51B đạt được tốc độ 709,70 km/h (441 dặm mỗi giờ) (chính xác là hai-phần-ba tốc độ siêu âm, hoặc là Mach 0,67,) ở độ cao 7.600 m (25.000 ft), và tầm bay được kéo dài sau đó bằng cách sử dụng các thùng nhiên liệu phụ vứt được, cho phép chiếc Mustang gắn động cơ Merlin được dùng như là máy bay tiêm kích hộ tống ném bom.
Tầm bay xa còn có thể tăng thêm nhờ việc áp dụng một thùng nhiên liệu tự hàn kín 322 L (85 gallon) phía sau ghế ngồi của phi công, bắt đầu từ loạt B-5-NA. Khi thùng này được đổ đầy, trọng tâm của chiếc máy bay bị dịch chuyển sát tới giới hạn phía sau một cách nguy hiểm, do đó việc cơ động bị giới hạn cho đến khi lượng nhiên liệu trong thùng giảm xuống dưới 95 L (25 gallon) và các thùng nhiên liệu bên ngoài được vứt bỏ. Những vấn đề "bay rập rình" ở tốc độ cao của những chiếc P-51B và C cùng với thùng nhiên liệu bên trong thân đã dẫn đến việc thay thế bánh lái độ cao bọc vải bằng những bề mặt phủ kim loại và giảm bớt góc tới của đuôi máy bay.
Cho dù có những cải tiến như vậy, máy bay thuộc các phiên bản B và C lẫn các phiên bản D/K mới hơn đều chịu những vấn đề về điều khiển ở tốc độ chậm có thể đưa đến việc "lộn vòng" bất chợt không cố ý ở một số điều kiện nào đó về tốc độ, góc tấn, tổng trọng lượng và trọng tâm máy bay. Nhiều báo cáo về tai nạn của những chiếc P-51B và C đã nêu lên việc các cánh ổn định ngang bị xé ra khi cơ động. Kết quả là một bộ vây đuôi trên lưng được sản xuất ra. Một bản báo cáo đã viết:
"Trừ khi có một vây đuôi được gắn trên những chiếc máy bay P-51B, P-51C và P-51D, một cú lộn vòng bất chợt có thể xảy ra khi dự tính lộn vòng chậm. Cánh ổn định ngang sẽ không chịu được các hiệu ứng của cú lộn vòng này. Để ngăn chặn sự tái diễn việc này, cánh ổn định ngang cần được gia cố như trong tài liệu kỹ thuật T.O. 01-60J-18 ngày 8 tháng 4 năm 1944 và phải gắn thêm một vây đuôi. Các bộ vây đuôi đang được sản xuất cho các hoạt động ở nước ngoài"
Những bộ vây đuôi bắt đầu có mặt vào tháng 8 năm 1944 và được gắn cho những chiếc phiên bản B và C cũng như D và K. Đồng thời cũng có những thay đổi cho phần điều khiển bánh lái đuôi, giúp ngăn ngừa phi công cơ động chiếc máy bay quá mức và đặt thêm tải nặng lên phần đuôi máy bay.
Những chiếc phiên bản P-51B và C bắt đầu đến Anh vào tháng 8 và tháng 10 năm 1943. Chúng được trang bị cho 15 Không đoàn Tiêm kích thuộc Không lực 8 và Không lực 9 tại Anh, Không lực 12 và Không lực 15 tại Ý (phần phía Nam của Italy do lực lượng Đồng Minh kiểm soát vào cuối năm 1943). Ngoài ra chúng còn được bố trí đến Mặt trận Trung Hoa-Miến Điện-Ấn Độ.
Các chiến lược gia Đồng Minh nhanh chóng khai thác chiếc máy bay tiêm kích tầm xa thành máy bay tiêm kích hộ tống ném bom. Chính là phần lớn dựa vào P-51 mà các cuộc ném bom ban ngày sâu vào lãnh thổ Đức có thể thực hiện mà không bị ngăn trở do thiệt hại máy bay ném bom vào cuối năm 1943.
Một số chiếc P-51B và P-51C được trang bị để thực hiện trinh sát hình ảnh và được đặt tên là F-6C.

P-51D và P-51K

Một trong những số ít lời than phiền về chiếc máy bay trang bị động cơ Merlin là một tầm nhìn về phía sau kém. Đây là một vấn đề chung trong đa số các thiết kế máy bay tiêm kích thời đó, vốn chỉ được người Anh nhận ra sau Trận chiến Anh Quốc, chứng tỏ giá trị của một tầm nhìn toàn cảnh. Nhằm cải thiện tầm nhìn ít nhất là một phần nào đó, người Anh đã cải tiến ngoài mặt trận một số chiếc Mustang với nóc buồng lái trượt dạng "chậu cá" được gọi là "nóc Malcolm", giống như trên những chiếc Spitfire. Sau đó tất cả những chiếc Mk III cùng với một số máy bay P-51B/C Mỹ được trang bị kiểu nóc buồng lái Malcolm này.
Một giải pháp tốt hơn cho vấn đề này là nóc buồng lái dạng "giọt nước" hay "bọt nước". Nguyên được phát triển như là một phần của kế hoạch Miles M.20, những nóc buồng lái mới này đang trong quá trình thích nghi cho đa số các thiết kế Anh Quốc, sau này xuất hiện trên Typhoon, Tempest và các phiên bản đời sau của Spitfire. North American áp dụng trên nhiều chiếc nguyên mẫu NA-106 với nóc buồng lái dạng giọt nước, cắt bớt phần thân phía trên sau buồng lái để cho phép nhìn trực tiếp về phía sau. Điều này đã dẫn đến việc sản xuất phiên bản P-51D (NA-109), được xem là phiên bản Mustang cuối cùng.
Một quan niệm sai lầm chung, cho là việc cắt bớt phần thân phía trên sau buồng lái để gắn nóc buồng lái dạng giọt nước đã làm giảm độ ổn định, nên cần phải bổ sung thêm một vây đuôi phía trước gốc cánh đuôi đứng. Thực ra, như đã được mô tả bên trên, vấn đề mất ổn định đã từng ảnh hưởng trên các phiên bản B và C sớm hơn, cũng như trên các phiên bản D và K tiếp nối; một phần là do việc áp dụng thùng nhiên liệu 322 L (85 gallon) bên trong thân bắt đầu từ loạt P-51B-5-NA khiến trọng tâm máy bay bị dịch chuyển quá xa về phía sau khi thùng nhiên liệu được đổ đầy. Các yếu tố khác bao gồm sự thay đổi từ kiểu cánh quạt ba cánh đi kèm theo động cơ Allison sang kiểu bốn cánh làm gia tăng sự mất quân bình do ảnh hưởng vùng bên lớn hơn của loại cánh quạt bốn cánh; và trên các phiên bản D và K kiểu buồng lái giọt nước cũng tạo một số nhiễu loạn khí động học phía trước cánh đuôi.
Cùng với các cải tiến khác, vũ khí trang bị được bổ sung thêm hai súng máy M2 nâng lên tổng cộng thành sáu khẩu. Cặp súng máy trong cùng có thể mang 400 viên đạn mỗi khẩu, và các khẩu còn lại có 270 viên, nên tổng số đạn mang được là 1.880 viên. Trên những chiếc P-51 trước đây, những khẩu súng máy M2 được gắn chéo góc dẫn đến những lời than phiền thường xuyên bị kẹt đạn trong khi cơ động chiến đấu. Cách bố trí mới cho phép gắn những khẩu súng máy M2 theo kiểu thông thường chữa được hầu hết vấn đề kẹt đạn. Khẩu súng máy Browning 0,50 inch, cho dù không bắn ra đầu đạn nổ, có tính năng đường đạn xuất sắc và cho thấy đủ để chống lại những chiếc máy bay tiêm kích Focke-Wulf Fw 190 và Messerschmitt Bf 109 vốn là đối thủ chính của Không lực Mỹ vào lúc ấy. Những phiên bản sau còn được trang bị đế rocket dưới cánh cho phép mang đến mười rocket mỗi máy bay.
Bộ ngắm vũ khí được thay đổi từ kiểu N-3B sang kiểu N-9 trước khi áp dụng kiểu ngắm súng hiệu chỉnh bằng con quay K-14B vào tháng 9 năm 1944.
Chiếc P-51D trở thành phiên bản Mustang được sản xuất rộng rãi nhất. Một phiên bản của P-51D sản xuất tại Dallas được đặt tên là P-51K, được trang bị kiểu cánh quạt do Aeroproducts sản xuất thay thế cho kiểu cánh quạt Hamilton Standard, cũng như có nóc buồng lái kiểu khác lớn hơn và nhiều thay đổi nhỏ. Cánh quạt rỗng kiểu Aeroproducts tỏ ra không được tin cậy khi nó rung rất nguy hiểm ở công suất động cơ tối đa do những vấn đề trong sản xuất và sau đó được thay thế bằng loại cánh quạt Hamilton Standard. Cho đến giai đoạn chiến tranh Triều Tiên, đa số những chiếc F-51 được trang bị bộ cánh quạt Hamilton Standard không có vòng đệm với những cánh quạt có đầu tù và rộng hơn. Các phiên bản trinh sát hình ảnh của P-51D và P-51K được đặt tên tương ứng là F-6D và F-6K. Không quân Hoàng gia Anh đặt tên Mustang IV cho phiên bản D và Mustang IVA cho phiên bản K.
Những chiếc P-51D/K bắt đầu đến châu Âu vào giữa năm 1944 và nhanh chóng trở thành máy bay tiêm kích chủ lực của Không lực Mỹ tại chiến trường này. Nó được sản xuất với số lượng nhiều nhất trong tất cả các phiên bản Mustang. Tuy nhiên, cho đến cuối chiếc tranh, vẫn còn có khoảng phân nửa những máy bay Mustang hoạt động là phiên bản B hay C.
Mối lo ngại về việc Không lực Mỹ không có khả năng hộ tống những chiếc máy bay ném bom hạng nặng B-29 suốt quãng đường đi đến chính quốc Nhật Bản đã đưa đến việc thực hiện kế hoạch "Seahorse" tối mật, một nỗ lực nhằm "hải quân hóa" chiếc máy bay. Vào cuối năm 1944, Đại úy phi công hải quân (sau này là phi công thử nghiệm) Bob Elder đã thực hiện những chuyến bay thử nghiệm tương thích với tàu sân bay với một chiếc P-51D được cải tiến. Kế hoạch này bị hủy bỏ sau khi Thủy quân Lục chiến kiểm soát được hòn đảo Iwo Jima của Nhật Bản cùng các sân bay trên đảo, sử dụng chúng làm căn cứ cho những chiếc P-51D tiêu chuẩn có thể tháp tùng theo B-29 suốt chặng đường đi đến các đảo chính quốc Nhật Bản và quay về.
Trong giai đoạn 1945 - 1948, những chiếc P-51D còn được chế tạo theo giấy phép nhượng quyền tại Australia bởi Commonwealth Aircraft Corporation.

XP-51F, XP-51G và XP-51J

Không lực Lục quân Hoa Kỳ đã đặt ra yêu cầu về những khung máy bay được chế tạo đáp ứng tiêu chuẩn gia tốc 8,33 G (82 m/s²), một hệ số tải cao hơn so với tiêu chuẩn 5,33 G (52 m/s²) được người Anh sử dụng cho những máy bay tiêm kích của họ. Giảm hệ số tải xuống 5,33 G cho phép giảm bớt trọng lượng máy bay, và điều này được cả Không lực Mỹ lẫn Không quân Hoàng gia Anh quan tâm đến vì khả năng nâng cao tính năng bay.
Một thay đổi nhỏ khó nhận biết trên những chiếc Mustang "hạng nhẹ" là việc sử dụng một kiểu cánh cải tiến trong loạt NACA 66 và cánh hơi mỏng hơn so với kiểu được sử dụng trên những chiếc Mustang trước đây.
Vào năm 1943, North American đưa ra đề nghị tái thiết kế phiên bản P-51D thành kiểu NA-105, và được Không lực Mỹ chấp thuận. Các cải tiến bao gồm thay đổi nắp động cơ, bộ càng đáp đơn giản hơn có bánh nhỏ hơn và phanh đĩa, và một nóc buồng lái lớn hơn. Tên gọi XP-51F được đặt cho những chiếc nguyên mẫu trang bị động cơ V-1650 (một số nhỏ chiếc XP-51F được chuyển sang Anh dưới tên gọi Mustang V) và tên XP-51G cho những chiếc trang bị động cơ Merlin 145M cho thuê-cho mượn ngược từ Anh.
Một chiếc nguyên mẫu hạng nhẹ thứ ba trang bị động cơ Allison V-1710-119 được bổ sung vào chương trình phát triển. Chiếc máy bay này được đặt tên là XP-51J. Vì động cơ không được phát triển đúng mức, chiếc XP-51J được cho Allison mượn để phát triển động cơ. Không có chiếc Mustang "hạng nhẹ" thử nghiệm nào được đưa vào sản xuất.

P-51H

Chiếc P-51H (NA-126) là phiên bản Mustang sản xuất cuối cùng, tích hợp các kinh nghiệm thu thập được trong việc phát triển những kiểu XP-51F và XP-51G. Chiếc máy bay này, cùng với những khác biệt nhỏ để thành kiểu NA-129, xuất hiện quá trễ để tham gia Thế Chiến II, nhưng là phát triển đỉnh cao của chiếc Mustang như là một trong những máy bay tiêm kích động cơ piston được sản xuất và tham gia hoạt động.
Chiếc P-51H sử dụng động cơ mới V-1650-9, một phiên bản của kiểu Merlin bao gồm bộ điều khiển siêu tăng áp tự động Simmon và phun nước, cho phép ở chế độ khẩn cấp chiến đấu có công suất đến 2.218 mã lực (1.500 kW). Những khác biệt so với phiên bản P-51D bao gồm thân được kéo dài và gia tăng chiều cao vây đuôi, giúp làm giảm đáng kể khuynh hướng lộn vòng. Nóc buồng lái tương tự như của P-51D, và vị trí ngồi của phi công được nâng cao hơn đôi chút. Việc tiếp cận để bảo trì súng đạn cũng được cải thiện. Với khung máy bay mới nhẹ hơn nhiều, công suất mạnh hơn và bộ tản nhiệt thon thả, chiếc P-51H trở thành một trong những máy bay tiêm kích cánh quạt nhanh nhất, có thể đạt tốc độ tối đa 784 km/h (487 dặm mỗi giờ hay Mach 0,74) ở độ cao 7.600 m (25.000 ft).
Chiếc P-51H được thiết kế để bổ sung cho chiếc P-47N như là máy bay chủ yếu trong việc xâm chiếm Nhật Bản với 2.000 chiếc được đặt hàng để sản xuất tại Inglewood. Chỉ mới có 555 chiếc được giao hàng khi chiến tranh kết thúc. Các đơn đặt hàng khác, vốn đã được dự toán, bị hủy bỏ. Do việc sản xuất bị cắt giảm, các phiên bản khác của P-51H với nhiều phiên bản của kiểu động cơ Merlin chỉ được sản xuất với số lượng ít hay bị loại bỏ. Chúng bao gồm kiểu P-51L, tương tự như kiểu P-51H nhưng trang bị động cơ V-1650-11 Merlin 2.270 mã lực, vốn chưa bao giờ được chế tạo; và phiên bản chế tạo tại Dallas của nó, chiếc P-51M hoặc NA-124 trang bị động cơ V-1650-9A Merlin không có hệ thống phun nước và do đó có công suất tối đa yếu hơn, chỉ có một chiếc số hiệu 45-11743 được chế tạo trong số 1.629 chiếc được đặt hàng ban đầu.
Mặc dù một số P-51H được giao đến các đơn vị hoạt động, chúng không tham gia hoạt động chiến sự trong Thế Chiến II, và trong những năm sau đó, hầu hết được bố trí tại các đơn vị trừ bị. Một chiếc được cung cấp cho Không quân Hoàng gia Anh để thử nghiệm và đánh giá. Chiếc máy bay số hiệu 44-64192 được đặt tên là BuNo 09064 và được Hải quân Mỹ sử dụng để thử nghiệm thiết kế các kiểu cánh vượt âm thanh, rồi sau đó trả về cho Không lực Vệ binh Quốc gia vào năm 1952. Chiếc P-51H đã không được sử dụng trong chiến đấu ở Chiến tranh Triều Tiên cho dù nó có các đặc tính điều khiển được cải thiện, vì những chiếc P-51D đang có sẵn với số lượng lớn và đã chứng minh được độ tin cậy.
Nhiều đặc tính khí động học tiên tiến của P-51 (bao gồm kiểu cánh mỏng) được áp dụng cho thế hệ máy bay tiêm kích động cơ phản lực tiếp theo của North American, chiếc FJ Fury của Hải quân và chiếc F-86 Sabre của Không quân. Cánh, thân và nóc buồng lái của phiên bản cánh ngang đầu tiên của chiếc Fury (kiểu FJ-1) và nguyên mẫu sơ thảo không được chế tạo của chiếc P-86/F-86 rất giống như của chiếc Mustang trước khi chiếc máy bay được cải biến với thiết kế kiểu cánh xuôi.

Những chiếc Mustang thử nghiệm

Vào đầu năm 1944 một chiếc P-51A-1-NA đầu tiên số hiệu 43-6003 được trang bị và thử nghiệm với ván trượt nhẹ thu lại được thay thế cho các bánh đáp chính. Việc cải tiến này là nhằm đáp ứng một đòi hỏi cho chiếc máy bay hoạt động ở nơi không có đường băng được chuẩn bị sẵn. Trục khuỷu nhún của bộ càng đáp được giữ lại, nhưng nắp che của bộ càng đáp chính và của bánh đáp đuôi được tháo bỏ để thử nghiệm. Khi tấm ván trượt thu lại vào thân, nó được chứa trong ngăn bên dưới khung động cơ bằng cách tháo bỏ các khẩu súng máy Browning 12,7 mm (0,50 inch) trong thân của chiếc P-51A. Toàn bộ việc cải biến làm tăng trọng lượng chiếc máy bay thêm 177 kg (390 lb) và đòi hỏi áp lực hoạt động của hệ thống thủy lực phải tăng từ 6.897 kPa (1.000 psi) lên 8.276 kPa (1.200 psi). Các chuyến bay thử nghiệm cho thấy có thể điều khiển tốt trên mặt đất, và chiếc Mustang có thể cất cánh và hạ cánh trên những khoảng đất trống dài 300 m (1000 ft); tốc độ tối đa chậm hơn khoảng 29 km/h (18 dặm mỗi giờ), cho dù người ta nghĩ rằng các nắp che ván trượt thu lại trong thân có thể bù đắp lực cản.
Vào ngày 15 tháng 11 năm 1944 một chiếc P-51D-5-NA số hiệu 414017 phiên bản "hải quân hóa" bắt đầu thực hiện các chuyến bay thử nghiệm từ sàn đáp tàu sân bay Shangri-La. Chiếc Mustang này được trang bị một móc hãm gắn vào một đầu nối được gia cố phía sau ngăn bánh đáp đuôi; móc được đặt trong một vị trí suông thẳng bên dưới bánh lái đuôi và có thể điều khiển hạ xuống từ buồng lái. Thử nghiệm cho thấy chiếc Mustang có thể cất cánh khỏi sàn đáp tàu sân bay mà không cần có sự trợ giúp của máy phóng, với cánh nắp đặt ở góc xuống 20° và bánh lái độ cao đặt ở góc lên 5°. Việc hạ cánh được cho là dễ bằng cách cho bánh đáp đuôi tiếp xúc sàn đáp trước bánh đáp chính, và chiếc máy bay có thể dừng lại ở khoảng cách tối thiểu.
Trong khi North American tập trung cải thiện tính năng bay của chiếc P-51 bằng việc phát triển những chiếc Mustang "hạng nhẹ", người Anh cũng thử nghiệm một số phương thức cải tiến khác. Nhằm mục đích này có ít nhất hai chiếc Mustang Mk.III (P-51B và C) số hiệu FX858 và FX901 được trang bị các phiên bản động cơ Merlin khác nhau. Chiếc thứ nhất, FX858, trang bị động cơ Merlin 100 của Rolls-Royce tại Hucknall; kiểu động cơ này tương tự như kiểu RM 14 SM gắn trên chiếc XP-51G có khả năng tạo ra công suất 2.080 mã lực (1.551 kW) ở độ cao 6.949 m (22.800 ft) sử dụng một bộ nén áp lực +25 lb (tương đương 200 cm/80 inch Hg) ở chế độ "chiến đấu khẩn cấp". Với kiểu động cơ này, FX858 đạt được tốc độ tối đa 729 km/h (453 dặm mỗi giờ) ở độ cao 5.486 m (18.000 ft), và có thể duy trì cho đến 7.620 m (25.000 ft). Tốc độ lên cao đạt được 4.160 ft/min (21,13 m/s) ở độ cao 4.267 m (14.000 ft).
FX901 được trang bị động cơ Merlin 113 (cũng được sử dụng cho kiểu máy bay de Havilland Mosquito B. Mk 35). Động cơ này cũng tương tự như kiểu 100 nhưng được trang bị một bộ siêu tăng áp phù hợp cho độ cao lớn hơn. FX901 có thể đạt được tốc độ 730 km/h (454 dặm mỗi giờ) ở độ cao 9.144 m (30.000 ft) và 666 km/h (414 dặm mỗi giờ) ở độ cao 12.192 m (40.000 ft).

Không lực Lục quân Hoa Kỳ

Tại Hội nghị Casablanca, phe Đồng Minh đã đề ra kế hoạch Phối hợp Tấn công Ném bom (CBO) liên tục không ngừng nghỉ do Không quân Hoàng gia Anh thực hiện vào ban đêm và bởi Không lực Mỹ vào ban ngày. Học thuyết ném bom Hoa Kỳ trước chiến tranh cho rằng những đội hình lớn của những máy bay ném bom hạng nặng bay ở tầm cao có khả năng tự bảo vệ chúng trước các máy bay tiêm kích đánh chặn đối phương và chỉ cần máy bay tiêm kích hộ tống ở mức tối thiểu, cho nên việc ném bom chính xác ban ngày bằng thiết bị ngắm ném bom Norden sẽ có hiệu quả.
Cả Không quân Hoàng gia Anh và Không quân Đức đều đã từng cố gắng thực hiện ném bom ngày và đều phải bỏ dỡ, tin rằng những tiến bộ gần đây trong các kiểu máy bay tiêm kích một động cơ đã làm cho những chiếc máy bay ném bom nhiều động cơ trở nên mong manh, đi ngược lại học thuyết của Giulio Douhet. Không quân Hoàng gia Anh đã lo ngại về việc này vào giữa những năm 1930 và đã quyết định thành lập lực lượng toàn máy bay ném bom đêm, nhưng sau đó bắt đầu các hoạt động ném bom ngày. Người Đức đã cho ném bom rộng rãi vào ban ngày trong quá trình Trận chiến Anh Quốc nhằm chuẩn bị cho một cuộc đổ bộ trong tương lai; nhưng do bị tổn thất nặng, Không quân Đức không lâu sau phải chuyển sang ném bom đêm. Bộ Chỉ huy Ném bom (Anh Quốc) cũng làm như vậy trong những vụ oanh tạc vào nước Đức.
Các nỗ lực ban đầu của Không lực Mỹ chưa thể rút ra kết luận gì do quy mô hạn chế của chúng. Đến tháng 6 năm 1943 Hội đồng Tham mưu trưởng đề ra Chiến dịch Pointblank nhằm tiêu diệt Không quân Đức trước khi đổ bộ lên châu Âu, đưa kế hoạch ném bom phối hợp vào hoạt động. Lực lượng máy bay ném bom hạng nặng của Không lực 8 thực hiện một loạt các cuộc không kích thâm nhập sâu trong lãnh thổ nước Đức bên ngoài tầm hoạt động của những máy bay tiêm kích hộ tống hiện có. Phản ứng của các máy bay tiêm kích Đức thật ác liệt và những máy bay ném bom bị tổn thất nặng; lên đến 20% trong cuộc ném bom lần thứ hai xuống các nhà máy sản xuất vòng bi tại Schweinfurt vào ngày 14 tháng 10 năm 1943. Tổn thất cao làm cho không thể tiếp tục thực hiện các cuộc không kích tầm xa như vậy mà không có máy bay tiêm kích theo hộ tống đầy đủ.
Chiếc máy bay tiêm kích hai động cơ Lockheed P-38 Lightning vốn có tầm bay đủ xa để hộ tống những chiếc máy bay ném bom, nhưng chúng chỉ hiện diện với số lượng rất hạn chế tại Mặt trận châu Âu, do việc bảo trì kiểu động cơ Allison gặp nhiều khó khăn, chủ yếu là do phẩm chất xăng tại châu Âu. Do những chiếc P-38 được sử dụng rộng rãi tại Mặt trận Thái Bình Dương và có nhu cầu rất lớn, nơi mà kiểu máy bay hai động cơ chứng tỏ tính sống còn trong những phi vụ tầm xa "trên mặt nước", hầu như tất cả các đơn vị sử dụng P-38 tại châu Âu đều chuyển sang sử dụng P-51 vào năm 1944. Chiếc máy bay tiêm kích Republic P-47 Thunderbolt cũng có khả năng đối đầu Không quân Đức với ít nhiều lợi thế, nhưng cho đến lúc đó chưa có đủ tầm bay xa. Chiếc Mustang đã giúp thay đổi được tất cả những điều đó. Nhìn chung, chiếc Mustang ít nhất cũng đơn giản như những chiếc máy bay tiêm kích khác cùng thời. Nó sử dụng một động cơ thuộc loại quen thuộc, tin cậy, và có đủ chỗ bên trong cho một trữ lượng nhiên liệu lớn. Với các thùng nhiên liệu phụ bên ngoài, nó có thể bay kèm theo những chiếc máy bay ném bom suốt quãng đường đến Đức rồi quay trở về.
Đã có một số máy bay tiêm kích P-51 dành cho Không lực 8 và Không lực 9 vào mùa Đông 1943-1944, và khi Chiến dịch Pointblank được tiếp nối trở lại vào năm 1944, tình huống đã thay đổi một cách ngoạn mục. Chiếc P-51 trở thành một công cụ hoàn hảo trong nhiệm vụ hộ tống máy bay ném bom suốt quãng đường bay đến mục tiêu và quay trở về, do đó bổ sung cho những chiếc P-47 có số lượng nhiều hơn cho đến khi có đủ số máy bay Mustang. Không lực 8 lập tức bắt đầu chuyển đổi các liên đội tiêm kích của họ sang sử dụng Mustang, trước tiên là hoán đổi các liên đội P-47 mới đến cho các liên đội thuộc Không lực 9 đang sử dụng P-51, rồi dần chuyển đổi các liên đội Thunderbolt và Lightning của họ. Cho đến cuối năm 1944, 14 trong số 15 liên đội tiêm kích của Không lực 8 đã sử dụng Mustang.
Các phi công Không quân Đức thường cố né tránh các máy bay tiêm kích Mỹ bằng cách tấn công hằng loạt với số lượng lớn phía trước những chiếc máy bay ném bom, tấn công một lần lướt qua, rồi cắt rời cuộc tấn công, không cho những chiếc máy bay tiêm kích có nhiều thời gian để phản ứng. Trong khi không thể hoàn toàn né tránh những chiếc máy bay tiêm kích hộ tống (thể hiện nơi tổn thất rất cao của Đức vào mùa Xuân năm 1944), mối đe dọa tấn công hàng loạt, và sau này kiểu tấn công "đại đội hàng ngang" (đội hình tám chiếc) Sturmgruppe Fw 190 có vỏ bọc thép chắc chắn, đưa đến việc phải khẩn cấp tấn công Không quân Đức ở bất cứ nơi đâu có thể gặp chúng. Chiếc P-51, đặc biệt với việc phát minh ra bộ ngắm súng K-14 và việc phát triển "Trường Clobber" để huấn luyện phi công tiêm kích ngay tại mặt trận vào mùa Thu năm 1944, là những yếu tố quyết định cho cuộc phản công của phe Đồng Minh chống lại Jagdverbände.
Bắt đầu từ cuối tháng 2 năm 1944, Không lực 8 khởi sự tấn công bắn phá các sân bay Đức một cách có hệ thống, được lựa chọn theo tần suất và cường độ trong suốt mùa Xuân, nhằm mục đích đặt được ưu thế trên không bên trên chiến trường Normandy. Một cách tổng quát những phi vụ này được thực hiện bởi những đơn vị đang trên đường quay về sau các phi vụ hộ tống, nhưng bắt đầu từ tháng 3 nhiều nhóm được giao các nhiệm vụ tấn công sân bay thay vì hộ tống ném bom. Vào ngày 15 tháng 4 Không lực 8 bắt đầu chiến dịch Jackpot, tấn công các sân bay chuyên dùng của lực lượng tiêm kích Không quân Đức, và đến ngày 21 tháng 5 mở rộng ra các mục tiêu khác bao gồm hệ thống đường sắt, đầu máy tàu hỏa và kho tàng được Đức sử dụng để vận chuyển tiếp liệu và lực lượng trong các phi vụ đặt tên là "Chattanooga". Chiếc P-51 cũng nổi trội trong những phi vụ này, cho dù tổn thất có cao hơn khi tấn công mặt đất so với vai trò chiến đấu không chiến, một phần là do sự mong manh của hệ thống tản nhiệt của chiếc Mustang đối với hỏa lực súng nhỏ mặt đất. Giống như những máy bay tiêm kích khác cùng sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng, chỉ cần một viên đạn duy nhất là có thể bắn thủng hệ thống tản nhiệt của chiếc Mustang.
Ưu thế áp đảo về số lượng của những máy bay tiêm kích Không lực Lục quân Hoa Kỳ, đặc tính bay xuất sắc của chiếc P-51 và trình độ của phi công đã làm lụn bại Không quân Đức. Kết quả là mối đe dọa tiêm kích đánh chặn cho những máy bay ném bom Mỹ, và sau đó là Anh, đã giảm đi đáng kể vào mùa Hè năm 1944.Thống chế Hermann Göring, tư lệnh Không quân Đức trong thời kỳ chiến tranh, được trích dẫn đã phát biểu: "Khi tôi nhìn thấy những chiếc Mustang bên trên bầu trời Berlin, tôi biết là mọi thứ đã hết hy vọng."
Ở miền Bắc nước Ý, P-51 Mustang phải đối đầu cùng một đối thủ ít nổi tiếng nhưng tỏ ra kiên cường, chiếc Macchi C.205 Veltro. Với tốc độ tối đa lên đến khoảng 640 km/h (400 dặm mỗi giờ) và được trang bị một cặp pháo 20 mm cùng các súng máy Breda 12,7 mm, kiểu MC 205 được cả phi công Đồng Minh lẫn phi công Đức ngưỡng mộ. Trong hoạt động, chúng tỏ ra khá hiệu quả, khi những chiếc Veltros phục vụ cho nước Cộng hoà Salò từng tiêu diệt được một số máy bay ném bom Đồng Minh và thách thức những chiếc P-51D Mustang. Vào giữa tháng 2 năm 1944, Liên đội 1 Không quân Ý được chuyển đến một căn cứ ở ngoại vi Reggio Emilia với nhiệm vụ tấn công các máy bay ném bom hạng nặng Đồng Minh cùng những chiếc P-51 theo hộ tống. Các cuộc không chiến với kiểu máy bay mới tốt nhất thời đó là một áp lực lớn đối với các phi công Ý, và họ cũng đã tìm cách bắn hạ được 58 chiếc Mustang với giá phải trả cũng rất nặng nề.
P-51 cũng hoạt động hữu hiệu trong việc chống lại các tên lửa và máy bay phản lực tiên tiến của đối phương. Một chiếc P-51B/C với nhiên liệu có chỉ số octane cao sẽ đủ nhanh để tấn công những quả bom bay V-1 được phóng về phía Luân Đôn. Chiếc máy bay đánh chặn tên lửa Me 163 Komet và máy bay tiêm kích phản lực Me 262 được cho là nhanh hơn chiếc P-51, nhưng không phải là không thể bị tấn công được, vì chúng tỏ ra mong manh mỗi khi cất và hạ cánh. Chuck Yeager, lái một chiếc P-51D, là một trong những phi công Hoa Kỳ đầu tiên đã bắn rơi một chiếc Me 262 khi ông bất ngờ tấn công nó khi nó đang chuẩn bị hạ cánh.Vào ngày 7 tháng 10 năm 1944, Trung úy Urban Drew thuộc Liên đội 365 trong một phi vụ tuần tra càn quét đã bất ngờ tấn công và bắn rơi hai chiếc Me 262 đang cất cánh. Cùng ngày hôm đó, Hubert Zemke đang lái một chiếc Mustang đã bắn rơi một chiếc máy bay đối phương mà ông nghĩ là một chiếc Bf 109, chỉ khi những hình ảnh quay được mới cho thấy đó lại là một chiếc Me 262. Ngày 1 tháng 11 năm 1944, phi công lái Mustang một lần nữa chứng tỏ mối đe dọa từ kiểu máy bay phản lực có thể cân bằng với số đông. Trong khi bay hộ tống những chiếc B-17, Liên đội Tiêm kích 20 bị một chiếc Me 262 tấn công, và một chiếc P-51 bay đơn lẻ bị bắn rơi. Sau đó Me 262 tìm cách tấn công những chiếc máy bay ném bom, nhưng bị ngăn chặn bởi đội hình hỗn hợp những chiếc P-51 và P-47. Cuối cùng một phi công P-47 thuộc phi đội 56 và các Trung úy phi công lái Mustang Gerbe và Groce của Liên đội 352 đã cùng chia sẻ chiến công này.
Đến ngày 8 tháng 5 năm 1945, tất cả các liên đội tiêm kích của Không lực 8, Không lực 9 và Không lực 15, ngoại trừ ba liên đội, đều đã sử dụng một kiểu máy bay khác trước khi chuyển sang sử dụng Mustang, và đã ghi được khoảng 4.950 chiến công không chiến (khoảng phân nửa của tất cả các chiến công của Không Lực Mỹ tại Mặt trận châu Âu), số lượng lớn nhất mà một kiểu máy bay tiêm kích Đồng Minh từng ghi được trong đối đầu không chiến  và tiêu diệt thêm 4.131 máy bay trên mặt đất với số máy bay bị thiệt hại là vào khoảng 2.520 chiếc.
Một trong những liên đội này, Liên đội Tiêm kích 4 thuộc Không lực 8 là đơn vị có thành tích cao nhất tại châu Âu với 1.016 máy bay địch bị tiêu diệt, gồm 550 chiếc trong không chiến và 466 chiếc trên mặt đất. Trong không chiến, những đơn vị P-51 có thành tích cao nhất (tất cả đều chỉ bay Mustang) là Liên đội Tiêm kích 357 thuộc Không lực 8 với 595 chiến công không chiến, và Liên đội Tiêm kích 354 thuộc Không lực 9 với 701 chiến công, là những đơn vị có chiến công không chiến cao nhất của mọi kiểu máy bay. Martin Bowman báo cáo rằng Mustang tại Mặt trận châu Âu đã thực hiện 213.873 phi vụ và bị tổn thất 2.520 máy bay do nhiều nguyên nhân. Phi công Ách lái Mustang có thành tích cao nhất là George Preddy của Không lực Lục quân Hoa Kỳ. Tổng số chiến công của ông là 27,5 trong đó 24 được ghi cùng kiểu máy bay P-51; cho đến khi ông bị thiệt mạng vì hỏa lực bắn nhầm của đồng đội vào ngày Giáng Sinh năm 1944 trong Trận Bulge.
Những chiếc P-51 được bố trí đến Viễn Đông trễ hơn trong năm 1944, hoạt động trong cả vai trò hỗ trợ gần mặt đất và hộ tống ném bom.

Hoạt động sau Thế Chiến II

Tiếp theo sau Thế Chiến II, Không lực Lục quân Hoa Kỳ cũng cố lại lực lượng chiến đấu thời chiến của họ, và chọn chiếc P-51 như là kiểu máy bay tiêm kích trang bị động cơ piston "tiêu chuẩn" trong khi những kiểu khác như P-38 Lightning và P-47 Thunderbolt được rút khỏi phục vụ hay được giao những vai trò hạn chế. Tuy nhiên, khi có nhiều kiểu máy bay tiêm kích phản lực tiên tiến như P-80 Shooting Star và P-84 Thunderjet được đưa ra sử dụng, chiếc P-51 cũng được đưa xuống vai trò thứ yếu.
Vào năm 1947, Bộ chỉ huy Không quân Chiến lược của Không quân Hoa Kỳ mới thành lập đã sử dụng những chiếc Mustang chung với các kiểu F-6 Mustang và F-82 Twin Mustang, do khả năng về tầm bay xa của chúng. Đến năm 1948, tên gọi P-51 (P: pursuit/tấn công) được thay đổi thành F-51 (F: fighter/tiêm kích) và tên gọi F dành cho máy bay trinh sát hình ảnh bị loại bỏ do cách đặt tên mới áp dụng cho Không quân Mỹ. Những máy bay còn hoạt động trong Không quân Hoa kỳ và Không lực Vệ Binh Quốc gia (ANG) khi thay đổi hệ thống tên gọi bao gồm: F-51B, F-51D, F-51K, RF-51D (trước đây là F-6D), RF-51K (trước đây là F-6K) và TRF-51D (phiên bản huấn luyện hai chỗ ngồi của F-6D). Chúng được sử dụng từ năm 1946 đến năm 1951. Đến năm 1950, cho dù Mustang tiếp tục phục vụ trong Không quân Hoa Kỳ và nhiều nước khác sau chiến tranh, đa số những chiếc Mustang của Không quân Mỹ được xem là dư thừa và được chuyển do Không quân Dự bị (AFRES) và Không lực Vệ Binh Quốc gia (ANG).
Trong Chiến tranh Triều Tiên, chiếc F-51 cho dù đã là một kiểu máy bay tiêm kích lạc hậu, đã được sử dụng như là máy bay ném bom chiến thuật và máy bay trinh sát cho đến hết cuộc chiến vào năm 1953. Do cấu trúc nhẹ hơn và khan hiếm phụ tùng thay thế, phiên bản F-51H mới và nhanh hơn đã không được đưa ra sử dụng tại Triều Tiên. Do chiếc máy bay được sử dụng trong vai trò tấn công mặt đất, tính năng bay đã không được chú trọng cho bằng tải trọng chiến đấu.
Lúc bắt đầu Chiến tranh Triều Tiên, một lần nữa chiếc Mustang lại tỏ ra hữu dụng. Do kiểu máy bay F-51D sẵn có đang hoạt động và sẵn có trong dự trữ, một số lượng lớn đã được chuyên chở bằng các tàu sân bay sang khu vực chiến sự để được Không quân Cộng hòa Hàn Quốc và Không quân Mỹ sử dụng. Thay vì dùng chúng như là máy bay tiêm kích đánh chặn hay máy bay tiêm kích "thuần túy", chiếc F-51 lại được giao vai trò tấn công mặt đất, trang bị rocket và bom. Sau cuộc tấn công từ phía Bắc Triều Tiên, các đơn vị Không quân Mỹ bị buộc phải cất cánh từ các căn cứ ở Nhật Bản, và những chiếc F-51D đã có thể tấn công các mục tiêu tại Triều Tiên mà những chiếc máy bay tiêm kích phản lực F-80 Shooting Star đã không thể với tới. Mối lo ngại chủ yếu đối với nó là sự mong manh của hệ thống tản nhiệt khi phải chịu tổn thất cao do hỏa lực từ mặt đất. Những chiếc Mustang tiếp tục hoạt động cùng các đơn vị tiêm kích-ném bom của Không quân Mỹ, Không quân Cộng hòa Hàn Quốc, trong các phi vụ can thiệp và hỗ trợ gần mặt đất cho đến khi chúng được thay thế phần lớn bởi kiểu máy bay tiêm kích-ném bom phản lực Republic F-84 và Grumman Panther vào năm 1953. Phi đội 77 Không quân Hoàng gia Australia (RAAF) sử dụng những chiếc Mustang do họ chế tạo trong thành phần Lực lượng khối Thịnh vượng chung tại Triều Tiên, và đã thay thế chúng bằng những chiếc Gloster Meteor F8 vào năm 1951. Phi đội 2 của Không quân Nam Phi (SAAF) sử dụng những chiếc Mustang do Mỹ chế tạo trong thành phần của Phi đoàn Tiêm kích-Ném bom 18, và phải chịu đựng nhiều thiệt hại cho đến năm 1953. Cho đến khi họ chuyển sang sử dụng kiểu F-86 Sabre.
Những chiếc F-51 phục vụ cùng Không quân Trừ bị Hoa Kỳ và Không lực Vệ binh Quốc gia trong suốt những năm 1950. Chiếc Mustang cuối cùng P-51D-30-NA mang số hiệu 44-74936, được rút khỏi hoạt động của Không lực Vệ binh Quốc gia West Virginia vào năm 1957, và nó hiện đang được trưng bày tại Bảo tàng Quốc gia Không quân Hoa Kỳ tại Căn cứ Không quân Wright-Patterson ở Dayton, Ohio. Tuy nhiên, nó lại được sơn như là chiếc P-51D-15-NA mang số hiệu 44-15174.
Việc rút những chiếc máy bay tiêm kích Mustang cuối cùng ra khỏi hoạt động của Không quân Hoa Kỳ đã đẩy hàng trăm chiếc P-51 ra thị trường máy bay dân sự. Quyền sở hữu thiết kế những chiếc Mustang giờ đây đã được North American bán cho Cavalier Aircraft Corporation, vốn đang nỗ lực tiếp thị nó ra thị trường Mỹ và nước ngoài. Vào năm 1967 và một lần nữa vào năm 1972, Không quân Mỹ đã mua lại nhiều lô máy bay Mustang tái chế từ Cavalier, đa số được gửi đến không lực của nhiều nước tại Nam Mỹ và Châu Á tham gia vào Chương trình Viện trợ Quân sự (MAP). Những chiếc máy bay này được tái chế từ những khung máy bay F-51D nguyên thủy sẵn có nhưng được trang bị động cơ V-1650-7, thiết bị radio mới, cánh đuôi đứng kiểu của phiên bản F-51H, và cánh chắc chắn hơn có thể mang sáu súng máy 12,7 mm (0,50 inch) và tám đế dưới cánh có thể mang hai bom 454 kg (1000 lb) và sáu rocket 127 mm (5 inch). Chúng đều có nóc buồng lái nguyên thủy của chiếc F-51D, nhưng có thêm một chỗ ngồi phía sau phi công dành cho quan sát viên. Một chiếc Mustang huấn luyện trang bị hai bộ điều khiển bay mang tên TF-51D (số hiệu 67-14866) với nóc buồng lái mở rộng và chỉ có bốn súng trên cánh. Mặc dù những chiếc Mustang tái chế này được dự định để bán cho các nước Nam Mỹ và châu Á trong chương trình viện trợ quân sự (MAP), nó được giao cho Không quân Hoa Kỳ với đầy đủ phù hiệu Mỹ. Tuy nhiên, chúng được mang loạt số hiệu mới (67-14862/14866, 67-22579/22582 và 72-1526/1541). Chiếc Cavalier Mustang số hiệu 68-15796 ngày nay còn được giữ lại tại Bảo tàng Vũ khí Không quân tại căn cứ Không quân Eglin, Florida, được trưng bày trong nhà với màu sơn thời kỳ Thế Chiến II.
Công việc sử dụng chiếc F-51 trong quân đội Mỹ cuối cùng là vào năm 1968, khi Lục quân Hoa Kỳ sử dụng một chiếc F-51D cũ (số hiệu 44-72990) như một máy bay săn đuổi trong đề án phát triển chiếc máy bay trực thăng vũ trang Lockheed YAH-56 Cheyenne. Chiếc máy bay này hoạt động thành công đến mức Lục quân đặt mua hai chiếc F-51D từ Cavalier vào năm 1968 để sử dụng tại Fort Rucker như những máy bay săn đuổi; chúng được mang số hiệu 68-15795 và 65-15796, có thùng nhiên liệu phụ ở đầu cánh và không vũ trang. Sau khi kết thúc chương trình phát triển Cheyenne, hai chiếc máy bay săn đuổi được sử dụng cho các dự án khác. Một chiếc (số hiệu 68-15795) được trang bị súng không giật 106 mm nhằm thử nghiệm giá trị của kiểu vũ khí này để tấn công các mục tiêu công sự vững chắc trên mặt đất.
Chiếc F-51 được không quân nhiều nước sử dụng, là tiếp tục là kiểu máy bay tiêm kích có hiệu quả đến tận giữa những năm 1980 với các không lực nhỏ. Chiếc Mustang cuối cùng bị bắn rơi là trong Chiến dịch Power Pack tại Cộng hòa Dominico vào năm 1965, trong khi chiếc cuối cùng được Không quân Cộng hòa Dominico cho nghỉ hưu là vào năm 1984.

P-51 trong hàng không dân sự

Nhiều chiếc P-51 đã được bán ra do dư thừa sau chiến tranh, thường là với giá thấp đến mức 1.500 Đô la Mỹ. Một số được bán cho các cựu phi công thời chiến tranh hay những người hâm mộ để sử dụng cá nhân, trong khi một số khác được cải biến cho các cuộc đua hàng không.
Một trong những chiếc Mustang nổi bật từng tham gia các cuộc đua hàng không là chiếc P-51C-10-NT (số hiệu 44-10947) dư thừa được mua bởi Paul Mantz, một phi công đóng thế vai trong điện ảnh. Chiếc máy bay được cải biến để có kiểu "cánh ướt", cánh được làm kín để mang một thùng nhiên liệu lớn trong mỗi cánh, và do đó hạn chế được sự cần thiết phải hạ cánh để tiếp thêm nhiên liệu hay tăng thêm lực cản do các thùng nhiên liệu phụ mang bên ngoài. Chiếc Mustang này được đặt tên là "Blaze of Noon", đã về nhất trong các cuộc đua Bendix Air Race năm 1946 và 1947, về nhì giải Bendix năm 1948 và thứ ba giải Bendix năm 1949. Ông cũng lập một kỷ lục xuyên lục địa Mỹ vào năm 1947. Chiếc Mustang của Mantz được bán cho Charles Blair (sau này là chồng của Maureen O'Hara) và được đặt lại tên là "Excaliber III". Blair đã dùng nó để lập một kỷ lục bay từ New York sang Luân Đôn (khoảng 3.460 dặm/5.568 km) vào năm 1951. Cùng năm đó ông đã thực hiện một chuyến bay từ Na Uy đến Fairbanks, Alaska ngang qua Bắc Cực (khoảng 3.130 dặm/5.037 km), chứng minh rằng việc dẫn đường bằng ánh sáng mặt trời có thể thực hiện được khi bay ngang qua cực từ trường Bắc. Do kỳ công này, ông đã được trao tặng giải Harmon Trophy; và Không quân Mỹ buộc phải thay đổi quan điểm về một cuộc không kích của Xô Viết có thể được thực hiện từ phía Bắc. Chiếc Mustang này hiện đang trưng bày tại Bảo tàng Quốc gia Hàng không và Không gian ở Trung tâm Steven F. Udvar-Hazy.
Doanh nghiệp nổi bật nhất trong việc chuyển đổi những chiếc Mustang sang sử dụng dân sự là Trans-Florida Aviation, một công ty sau đó được đổi tên thành Cavalier Aircraft Corporation, chuyên sản xuất những chiếc Cavalier Mustang. Những sự cải tiến bao gồm một cánh đuôi đứng cao hơn và thùng nhiên liệu phụ ở đầu cánh. Một số cải biến khác bao gồm một chiếc Cavalier Mustang khá đặc biệt: một chỗ ngồi thứ hai chật hẹp đặt nơi trước đây từng bố trí thiết bị liên lạc quân sự và thùng nhiên liệu trong thân.
Điều khôi hài là, vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970 khi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ mong muốn cung cấp những chiếc máy bay cho các nước Nam Mỹ, và sau đó là Indonesia, để hỗ trợ gần mặt đất và chống bạo loạn, họ đã quay sang Cavalier để chuyển đổi ngược một số chiếc máy bay dân sự về tiêu chuẩn quân sự.
P-51 có lẽ là chiếc máy bay quân sự cổ (warbird) được săn lùng nhiều nhất trên thị trường dân dụng; giá trung bình thường vượt quá 1 triệu đô la Mỹ, ngay cả cho những chiếc chỉ được phục chế một phần. Một số chiếc P-51 thuộc sở hữu cá nhân hiện vẫn còn bay được, thường là liên kết với các tổ chức như là Commemorative Air Force (trước đây là Confederate Air Force)

Các bản sao thu nhỏ

P-51 là đối tượng được nhắm đến của một số bản sao thu nhỏ bay được; ngoài khác kiểu mô hình điều khiển bằng radio thông dụng và mô hình để trưng bày, còn có những chiếc máy bay thật thu nhỏ cỡ 1/2, 2/3 hoặc 3/4 kích thước thật, có một chỗ ngồi thoải mái cho phi công (đôi khi cho cả hai người) và cung cấp được tính năng bay cao cùng đặc tính bay rất đáng kể. Những chiếc máy bay đáng chú ý bao gồm Titan T-51 Mustang và Thunder Mustang.

P-51H Mustang

Tham khảo: The Great Book of Fighters

Mustang trong văn hóa đại chúng

Sau khi ra đời và đóng góp phần đáng kể vào chiến thắng của Đồng Minh trong Thế Chiến II, hình ảnh chiếc P-51 Mustang đã được lấy làm bối cảnh cho nhiều tác phẩm điện ảnh của Mỹ.
Ngay từ năm 1944, phim Ladies Courageous dưới sự góp mặt của diễn viên Loretta Young, là một câu chuyện hư cấu về đơn vị Nữ phi công Phục vụ Không lực, gồm các nữ phi công trong Thế Chiến II có nhiệm vụ lái những chiếc máy bay ném bom từ xưởng sản xuất đến nơi sử dụng cuối cùng. Được tái bản dưới tựa đề Fury in the Sky, phim đã sử dụng những chiếc P-51A đời đầu dùng làm hậu cảnh. Đơn vị nữ đặc biệt này còn được nhắc đến trong phim The Lady Takes a Flyer (1958), khi trình bày một chiếc P-51D nổi bật trong cảnh cuối khi Lana Turner (đóng vai Magie Colby) bị rơi một cách bi thảm ở chặng cuối của chuyến đi vận chuyển máy bay đầy nguy hiểm đến Anh Quốc.
Đến năm 1948, phim Fighter Squadron mô tả một đơn vị P-47 dựa một phần trên câu chuyện thật của Phi đoàn Tiêm kích 4 "Blakeslee's Bachelors". Đơn vị này lái những chiếc P-47 trong chiến đấu từ tháng 4 năm 1943 đến tháng 3 năm 1944, khi họ chuyển sang lái Mustang. Trong phim, những chiếc Bf 109 của Đức thật ra là những chiếc P-51 được sơn ngụy trang. Hầu hết những gì được mô tả trong phim cùng với những chiếc P-47 (ví dụ như những chiếc máy bay tiêm kích bay hộ tống suốt quãng đường đến Berlin, một phi công bị bắn rơi xuống khu vực đối phương và được người bạn thân hạ cánh xuống để cứu thoát) trong thực tế đã diễn ra cùng với những chiếc P-51.
Sự hiện diện của P-51 Mustang trong Chiến tranh Triều Tiên cũng là đề tài của một số phim ảnh, trong đó phim Dragonfly Squadron (1953) nói về những phi công trong cuộc chiến này đã lái những chiếc P-51; và phim Battle Hymn (1956) đã dựa trên câu chuyện có thật của trung tá Dean E. Hess (do Rock Hudson đóng) và các huấn luyện viên dưới quyền thuộc Không quân Mỹ trong những ngày đầu của chiến tranh, đã huấn luyện các phi công của Không quân Cộng hòa Hàn Quốc, hướng dẫn họ vào các trận đánh đầu tiên trên những chiếc F-51D/K.
Sự tham gia của P-51 Mustang trong các cuộc đua hàng không là đề tài của một số phim: Wings of Fire (1967), bộ phim truyền hình về cuộc đua hàng không của những chiếc P-51 và F8F; và Cloud Dancer (1980): câu chuyện cường điệu về các cuộc bay biểu diễn hàng không, bao gồm các cảnh quay trên không của một chiếc P-51.
Gần đây hơn, phim Empire of the Sun (Đế quốc Mặt trời mọc) (1987) của Steven Spielberg có một cảnh quay ba chiếc P-51D đã tấn công một cách ngoạn mục và phá hủy một sân bay Nhật gần Trại tập trung Soochow Creek, nơi ở trong chiến tranh của nhân vật chính câu chuyện, Jim Graham, do Christian Bale đóng. Phim Memphis Belle (1990) dựa trên câu chuyện có thật trong Đệ Nhị Thế Chiến: đội bay của chiếc Memphis Belle, một máy bay ném bom B-17, phải thực hiện phi vụ ném bom cuối cùng xuống châu Âu để hoàn tất chuyến bay thứ 25 của họ và có thể quay trở về nhà. Năm chiếc P-51D Mustang đã hoạt động như những máy bay tiêm kích hộ tống, cho dù chúng chưa có mặt tại chiến trường châu Âu vào lúc phi vụ cuối cùng này được thực hiện.
Trên một góc nhìn khác, phim The Tuskegee Airmen (1995) kể lại câu chuyện thực của một nhóm phi công Mỹ da màu đã vượt qua được những sự kỳ thị về chủng tộc để trở thành một trong những liên đội tiêm kích Hoa Kỳ xuất sắc nhất trong Thế Chiến II. Phim đã sử dụng những chiếc P-51 trong những cảnh quay, cho dù trong thực tế Phi đoàn 99 vẫn còn sử dụng những chiếc P-39 và P-40 trong những chiến dịch ban đầu tại Bắc Phi.
Trong bộ phim nổi tiếng Saving Private Ryan (Giải cứu binh nhì Ryan) (1998) của Spielberg, hai chiếc P-51D đã tấn công và tiêu diệt chiếc xe tăng Đức Tiger I. Chúng xuất hiện trong một cảnh ngắn vào giai đoạn cuối của trận đánh tại thị trấn hư cấu Pháp Ramelle. Trong loạt phim truyền hình của Spielberg Band of Brothers (2001) cũng có sự xuất hiện của những chiếc P-51. Gần đây, phim Hart's War (Cuộc chiến của Hart) (2002) có hai cảnh liên quan đến những chiếc P-51: một lần là khi một đoàn tàu lửa Đức chuyên chở tù binh chiến tranh Mỹ (không được đánh dấu rõ ràng) bị những chiếc P-51 bắn nhầm; và trong một cảnh xảy ra trận không chiến giữa một chiếc P-51 của Liên đội Tiêm kích 332 với một chiếc Bf 109 bên trên trại tù binh.

Trình tự thiết kế

XP-48 - XP-49 - XP-50 - P-51 - XP-52 - XP-53 - XP-54