Considero que o uso de macho pode dar pistas sobre a melhor das formas apresentadas pela pergunta. Celso Cunha e Lindley Cintra (Nova Gramática do Português Contemporâneo, 1984, pág. 196) explicam que macho e fêmea se juntam simplesmente aos substantivos epicenos (isto é, nomes que, independentemente da marca de género, designam os dois sexos; por exemplo, o crocodilo macho e o crocodilo fêmea). Contudo, Cunha e Cintra não indicam a classe morfossintáctica destas palavras.

É preciso recorrer ao Dicionário Houaiss da Língua Portuguesa para sabermos que macho é adjectivo e apresenta as «flexões habituais da língua: javali macho, jacaré macho: toutinegra macha, formiga macha» (idem). No entanto, o mesmo dicionário acrescenta que macho (como fêmea) é também substantivo; nesse caso, usa-se com hífen e tem flexão em número mas não em género, como se lê a seguir (itálico do original a negro; meu sublinhado):

«[…] exige, porém, o uso de hífen, por passar a se tratar de palavra composta por dois substantivos: toutinegra-macho, formiga-macho; esse subst[antivo], colocado após outro subst[antivo] denominador de um ser sexuado, é um determinante específico invariável em gênero, mas não em número, e indica que o ser é do sexo masculino (a cobra-macho, as aranhas-machos).»

Seguindo o modelo dos compostos em que participa macho, o plural mais correcto de filho-homem é filhos-homens, porque:

a) homem é um substantivo, logo terá o mesmo comportamento que macho como substantivo;
b) sendo assim, pode variar em número;
c) e usa-se com hífen.