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2010年5月26日，美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机在完成了为期12天的最后一次太空之旅后，返回地面，结束了长达26年的服役生涯。继“阿特兰蒂斯”号后，“发现”号和“奋进”号航天飞机将于年内完成各自告别之旅。届时，3架航天飞机将以总计134次飞行任务的纪录全部退役，美国“航天飞机时代”将暂时告一段落。然而现役航天飞机的退役绝不意味着航天飞机彻底退出太空探索的舞台。事实上，多年来，美国一直在对未来航天飞机研制进行着大量研究，并研发出了一系列X系列飞行器，以求能解决困扰航天飞机发展的难题。可以预料，在蛰伏一段时间后，航天飞机必将以崭新的面貌重现出现在太空中，而X系列飞行器必将在这一过程中继续扮演重要角色。
载人航天器根据飞行和工作方式的不同可分为载人飞船、载人空间站和航天飞机三类。其中航天飞机是依靠运载器发射入轨的、带翼的，返回时能像滑翔机那样在机场跑道上水平着陆，并重复使用的载人、运货或二者兼用的航天器。与宇宙飞船相比，航天飞机具备大载荷和机动能力强，以及可重复使用的巨大优势。此外，航天飞机在军事上的应用价值也远远强于现在宇宙飞船，如果能够解决成本高昂和可靠性不佳的缺点，航天飞机必将迎来辉煌的明天。
航天飞机虽然存在种种优点，但其技术门槛也远远高于宇宙飞船。环顾当今世界，只有美国具备实际应用航天飞机的能力。美国的航天飞机是积累数十年艰苦努力的结晶，X系列飞行器在这个过程中发挥了至关重要的作用。回顾这段历史，对于每一个试图成为未来航天大国的国家来说，都有着很好的借鉴意义。
超越音速
上世纪40年代，实现超音速飞行成为当时飞机设计师们所面对的重大课题之一。经过大量研究，设计师发现飞机在跨音速阶段所遇到的压缩效应是阻止飞机速度进一步提高的主要障碍。受制于当时技术水准的限制，人们无法利用风洞来对飞机在马赫0.75-1.00速度间飞行特性进行研究，制造试验机进行相关研究势在必行。
1944年，美国陆军航空队和国家航空航天咨询委员会(NACA)与贝尔签订了制造3架XS-1(后来改为X-1)跨音速试验机的合同，以便对飞机在跨音速区域内的气动特性和操纵性作出全面的研究。
X-1的外形新颖而不失简洁，酷似子弹的机身中部镶嵌着一对短小的平直翼，机尾装有一台火箭发动机。由于火箭发动机的有效工作时间过于短暂，X-1在飞行实验时先挂在一架B-29机身下方升空，B-29在达到测试高度后投下X-1，后者随即点燃火箭发动机进行试飞，测试结束后滑翔返回机场。
X-1于1946年1月25日实现首飞。1947年10月14日，美国著名试飞员查尔斯·查克·耶格尔驾驶X-1飞出了马赫1.06的速度，成功进行了人类首次超音速飞行，在航空史上写下了重要一笔。到1951年10月23日项目结束，X-1总共完成157次试飞，录得马赫1.45的最高飞行速度，为早期超音速飞行研究做出了杰出贡献。
X-1完成首次超音速飞行后不久，美国空军与NACA委托贝尔研制速度更快的第二代X-1。贝尔保留了原先X-1的机翼、尾翼和发动机，但换上了全新设计的机翼。贝尔原拟制造4架第二代X-1，其中X-1C被取消，X-1D毁于首次动力飞行，真正用于测试的只有X-1A和X-1B。
从1951年7月24日至1958年1月23日，第二代X-1共完成54次试飞。其中最值得指出的一次当属1954年12月23日，查克·耶格尔驾驶X-1A的一次试飞。当飞机在22860米高度飞出马赫2.44的速度时，X-1A突然失控，耶格尔费尽九牛二虎之力才重新控制住飞机，从而避免了一次机毁人亡的惨剧。
由于最终投入使用的第二代X-1只有两架，难以满足测试的需要，NACA在50年代初责成贝尔对第二架X-1进行了大幅度的改造，为其换上了全新设计的薄型机翼(相对厚度只有4％)、更好座舱和火箭动力弹射座椅，改造后的飞机被命名为X-IE。
X-1E共完成26次试飞，最高速度和最高飞行高度分别达马赫2.24和22860米。至此，经过第二代X-1和X-1E的测试，X-1的潜力已被挖掘殆尽，这时另外一种贝尔研制的试验机已经在高空、高速飞行领域取得新的突破。
二战结束前夕，贝尔与陆航和NACA签订了研制xS-1后掠翼改型的协议，飞机编号X-2。X-2的机身外形与X-1大同小异，但换上了后掠角达40度的机翼，动力由一台反应发动机公司的XLR25火箭发动机提供。此外，为了应对在马赫2.5以上速度飞行时所出现的气动加热现象，X-2机体由不锈钢材料制成。X-2的发射程序与X-1基本相同，只是将母机换成性能更好的EB-50。
X-2可以说是整个x系列飞行器中命运最为悲惨的机型。1953年5月12日的首次投掷测试中，X-2刚刚被投下后便凌空爆炸，试飞员让·齐格勒当场身亡，担任投放任务的EB-50严重受损，但仍勉强返回基地。直到2年后的1955年11月1日，X-2才完成了首次动力飞行。同年7月3日，X-2创造了新的世界速度记录——马赫2.81，次年9月7日又创造了38466米的高度世界记录。1956年9月27日，米尔本·阿普特上校驾驶X-2创造了马赫3.06的非正式世界记录，X-2由此成为首架突破三倍音速大关的飞机。然而，X-2在返航途中操纵急剧恶化，并很快宣告失控，最终以机毁人亡的惨剧收场。
X-1和X-2系列试验机虽然与后来的航天飞机计划并无直接关系，但从技术角度看，它们却是航天飞机诞生历程这个“万里长征”中第一步。X-1的成功不仅证明了超音速飞行的可行性，而且在超音速飞机的结构、气动设计，飞控系统及座舱布局等方面取得了突破性的进展，为日后的高超音速飞行奠定了坚实的技术基础。X-2虽然问题多多，但同样取得了不容忽视的丰硕成果，其中最为突出的当属它所采用的耐高温不锈钢合金机体机构，这是飞机结构设计上的一大突破，此外，X-2的测试还深化了人们对高马赫数飞行气动特性和气动加热的认识。X-1和X-2的历史使命结束后，另外一种新式高空、高速试验机也在孕育之中，它的到来将在航空史上写下辉煌的篇章。
终极火箭飞机
X-2虽然成功突破了3倍音速大关，并在高速飞行领域做出了不少建设性贡献，但要实现真正的宇航飞行仍有大量棘手的技术难题需要解决，研制一种速度更快、飞行高度更高的验证机势在必行。实际上，早在上世纪40年代末，不少专家就提出研制用于高超音速飞行研究的验证机，但没能获得NACA和美国军方的正面回应。直到1952年6月24日，NACA才通过决议，决定拓展其验证机计划，以探索飞机在高马赫数及超高空环境下的飞行特性。与此同时，美国空军也在进行类似的研究，于是1953年空军科技顾问委员会建议NACA、空军和海军合作进行相关研究。1954年7月9日在华盛顿举行 的正式会议中讨论了高超音速验证机的必要性及其设计概念，最后指定5名来自NACA兰利研究中心的工程师组成极音速研究委员会进行相关研究工作。
1954年底，进行联合研制的三方面商定了新式验证机的基本设计要求，并授予其X-15的正式编号，随即由美国空军代表它们向美国国内的飞机制造商发出招标书。当时共有八家公司接到了竞标邀请，但只有贝尔、道格拉斯、共和及北美四家公司做出回应，在对他们提交的方案进行审查后，NACA于同年年底宣布北美的方案中标，并与其签订了制造3架原型机的合约。虽然NACA事先对X-15上将会遇到的一些问题做了不少研究，但由于X-15的飞行包线覆盖了不少当时航空领域的处女地，北美依然必须面对空气动力学和结构材料方面的巨大挑战。
北美在X-15研制中采取了保守而稳妥的做法，为X-15选择了常规布局，整个机身呈圆柱形，后掠角24度的梯形主翼展弦比2.5，相对厚度只有5％。钛合金结构的主翼上并未设置副翼，滚转通过水平尾翼的差动实现，主翼内侧装有两个液压致动的小型襟翼。空气动力学方面的研究表明，在攻角姿态下进行高速飞行时，X-15需要较大的垂直安定面来维持必要的稳定性。因此，X-15除了传统的全动式水平尾翼外，还安装了面积很大的楔形垂尾和腹鳍。以往飞机在攻角5-6度时，便会遭遇稳定性不佳的问题，而X-15在从高空返回地面时的攻角更是高达20-25度之多，稳定性问题势必更加突出。NACA专门研制了一种楔形垂直安定面，其后缘为一个12英寸宽的平面，在超高音速飞行时能赋予飞机更好的稳定性。垂尾设有为用于控制飞行方向的方向舵，腹鳍则为可抛式设计，在着陆前抛离机身，以腾出机腹空间利用滑撬着陆。后来人们在试验中发现在没有腹鳍的状态下，飞机依然有着良好的纵向稳定性，因此在后来的高空试飞中，X-15都没有安装腹鳍。
对北美而言，X-15研制过程中最大的挑战莫过于如何使机体承受高速飞行中产生的高温。为此，北美选择用一种名为“因康奈尔-X”的耐高温镍基合金覆盖X-15机体表面大部分蒙皮及机翼前缘部分，以对抗高速飞行中产生的巨大热量。这种特殊的材料在温度超过648.9度时仍能维持良好的刚性，美中不足的是共重量为普通合金的3倍，因此只用于机体温度最高的部分。出于减轻机体重量的考虑，机身内非高热段更多的使用了钛合金。
X-15原定的动力装置是反应发动机公司研制的XLR99火箭发动机，这是一种单室火箭发动机，以无水氨和液氧为燃料。X-15机体内装有两个大型圆柱形燃料罐，分别装有3813公斤无水氨和4722公斤的液氧。在环状氧化剂槽内装有一具高压氦气筒。另外，在机身内部其他部位也装有圆形氦气筒，以为飞控装置，发动机启动及弹射座椅提供动力。氨燃料由一个环形燃料箱和一个核心燃料箱构成，设在氨燃料箱之后的是一个容量77.5加仑的圆形过氧化氢燃料箱，发动机启动时，过氧化氢经过高压氮气加压输送至气体发生器产生高压蒸汽推动涡轮泵。燃料经过涡轮泵中的离心泵加油后输送至发动机，氧和氨在第一级点火段混合油三个火花塞点燃后送至第二级点火段，然后再进入燃烧室。氨在注入燃烧室之前会先通过环绕在燃烧室外的管线中对燃烧室实施冷却。
考虑到传统的气动控制面在大气层边缘飞行时会基本丧失功能，北美在X-15身上设置了贝尔宇航公司研制的反推力控制装置。该系统利用从高压过氧化氢分解得到的高压蒸汽为工作介质，从遍布机体上的12个喷口喷出，从而可以在稀薄的大气边缘有效的控制飞机。
X-15的座舱设计别具一格，其中最为特别之处当属它配备了三根操纵杆。传统中置的操纵杆用于大气层内的飞行控制，飞行员右手边上还有一根与中置操纵杆互联的辅助操纵杆，其用途是在大过载时方便飞行员控制飞机，左手边的第三根操纵杆是用来控制飞机的反作用力控制器，以便在大气层外控制飞机。后来在试飞中发现中置操纵杆的用处不大，遂将其拆除，只保留了侧置操纵杆。座舱盖完全用“因康奈尔-X”合金制造，座舱上镶嵌有能承受399度的双层玻璃。
向地球边缘冲刺
1955年10月15日，首架X-15在北美公司位于加州的工厂下线，两天后运往爱德华兹空军基地进行为期5个多月的地面测试。与以往的X系列火箭飞机一样，X-15仍是由一架大型飞机携带到高空投放，再利用自身的动力完成余下的飞行。1959年3月10日，X-15首次由B-52携带升空，同年5月8日进行了首次无动力滑翔试飞。
1959年9月17日，斯科特-克罗斯菲尔德驾驶2号机完成了X-15的首次动力飞行，由于X LR99仍未备妥，X-15在前11次动力飞行中使用的是两台XLR11发动机。XLR11的性能虽然远逊于XLR99，但依然让X-15展现出了过人的飞行性能，在9月17日的首次动力飞行中，X-15便达到了马赫2.1的速度。
1960年3月28日，反应发动机公司终于交付了首台XL R99。虽然在地面测试中曾发生爆炸事故，但新发动机还是很快展现出了超群的性能。X-15在一系列试飞中不断地将飞行高度和速度记录刷新。1960年8f14日，NASA(这时NACA已经改组为国家航空航天局，即NASA)试飞员约瑟夫·沃克尔以3530.8公里／小时的速度刷新了4年前由X-2创造的旧记录。次年2月7日，阿尔文·怀特驾驶X-15达到了马赫3.5的速度，一个月后一举飞出了马赫5.27的惊人速度，仅过了4天，沃克尔驾驶X-15达到了，令人瞠目结舌的6倍音速。于此同时，X-15还在不断地挑战人类飞行高度的极限，到1962年4月30日的第36次试飞中就达到了78公里的设计飞行高度。此后X-15继续再接再厉，不停地向太空边缘冲击。1962年7月17日，怀特驾驶X-15达到94.3公里的高度，次年7月19日沃克尔驾机成功达到105公里的高度，X-15由此成为第一种进入太空的有翼飞行器，8月22日成功冲击了107.96公里的高度。这个高度作为飞机的非正式飞行高度记录一直保持到2006年才被维珍一大西洋公司投资制造的“太空船一号”打破。
X-15早期的试飞一直颇为顺利，但在1962年11月9日却发生了一次重大事故，X-15的2号机点火发射后不久就因发动机故障而不得不进行高速迫降，飞机严重受损，试飞员约翰·麦克凯伊身负重伤。事后NAsA决定将2号机修复，并将其改良为性能更好的X-15A-2。
X-15A-2与原来X-15之间最大的不同之处是在翼根下方加挂两个大型可抛式燃料箱，以使发动机的工作时间延长70％。此外，X-15A-2的机身有所加长，座舱风挡改为椭圆形，玻璃也从原来的两层增至三层。1964年2月19日，改造完成的X-15A-2返回爱德华兹，但直到1965年11月3日才首次进行了挂载外置燃料箱的试飞。1966年11月18日，威廉·奈特驾驶X-15A-2创造了马赫6.33的新纪录。1967年10月3日，奈特又飞出了马赫6.7的惊人速度，这也是X-15所达到的最高速度。
就在X-15试飞临近结束时，一起重大事故为原本近乎完美的试飞记录留下了巨大的遗憾。1967年11月5日，美国空军试飞员迈克尔-亚当斯在试飞X-15时因仪表问题而导致飞机失控，最后飞机在空中解体，亚当斯不幸身亡。在此之后，由于项目资金即将告罄，加之XLR99的潜力已经被发掘殆尽，NASA遂决定结束X-15的试飞，1968年10月24日，威廉·达纳驾驶X-15完成了项目的第199次试飞，为这个历时10年的项目划上了句号。硕果累累
X-15可以说是整个X系列飞行器中最具野心，同时也是科研成果最为丰厚的机型，它同时也是人类航空航天史上最为重要的高性能验证机计划。经过10年的研究和试飞，NASA通过X-15解决了大量载人航天飞行的关键技术，在太空生理学、超音速空气动力学与气动热力学、高速滑行飞行及耐高温材料等领域，X-15均进行了深入的试验。直至今日，X-15试验数据仍是美国高速验证机研究计划的宝贵数据。
X-15在有翼航天器的发展史上具有里程碑式的意义，通过它的研制、试验，美国扫清了阻碍航天飞机发展的主要障碍，也令美国自此在有翼航天器研究领域居于领先位置，并一直延续至今。
载人航天器根据飞行和工作方式的不同可分为载人飞船、载人空间站和航天飞机三类。其中航天飞机是依靠运载器发射入轨的、带翼的，返回时能像滑翔机那样在机场跑道上水平着陆，并重复使用的载人、运货或二者兼用的航天器。与宇宙飞船相比，航天飞机具备大载荷和机动能力强，以及可重复使用的巨大优势。此外，航天飞机在军事上的应用价值也远远强于现在宇宙飞船，如果能够解决成本高昂和可靠性不佳的缺点，航天飞机必将迎来辉煌的明天。
航天飞机虽然存在种种优点，但其技术门槛也远远高于宇宙飞船。环顾当今世界，只有美国具备实际应用航天飞机的能力。美国的航天飞机是积累数十年艰苦努力的结晶，X系列飞行器在这个过程中发挥了至关重要的作用。回顾这段历史，对于每一个试图成为未来航天大国的国家来说，都有着很好的借鉴意义。
超越音速
上世纪40年代，实现超音速飞行成为当时飞机设计师们所面对的重大课题之一。经过大量研究，设计师发现飞机在跨音速阶段所遇到的压缩效应是阻止飞机速度进一步提高的主要障碍。受制于当时技术水准的限制，人们无法利用风洞来对飞机在马赫0.75-1.00速度间飞行特性进行研究，制造试验机进行相关研究势在必行。
1944年，美国陆军航空队和国家航空航天咨询委员会(NACA)与贝尔签订了制造3架XS-1(后来改为X-1)跨音速试验机的合同，以便对飞机在跨音速区域内的气动特性和操纵性作出全面的研究。
X-1的外形新颖而不失简洁，酷似子弹的机身中部镶嵌着一对短小的平直翼，机尾装有一台火箭发动机。由于火箭发动机的有效工作时间过于短暂，X-1在飞行实验时先挂在一架B-29机身下方升空，B-29在达到测试高度后投下X-1，后者随即点燃火箭发动机进行试飞，测试结束后滑翔返回机场。
X-1于1946年1月25日实现首飞。1947年10月14日，美国著名试飞员查尔斯·查克·耶格尔驾驶X-1飞出了马赫1.06的速度，成功进行了人类首次超音速飞行，在航空史上写下了重要一笔。到1951年10月23日项目结束，X-1总共完成157次试飞，录得马赫1.45的最高飞行速度，为早期超音速飞行研究做出了杰出贡献。
X-1完成首次超音速飞行后不久，美国空军与NACA委托贝尔研制速度更快的第二代X-1。贝尔保留了原先X-1的机翼、尾翼和发动机，但换上了全新设计的机翼。贝尔原拟制造4架第二代X-1，其中X-1C被取消，X-1D毁于首次动力飞行，真正用于测试的只有X-1A和X-1B。
从1951年7月24日至1958年1月23日，第二代X-1共完成54次试飞。其中最值得指出的一次当属1954年12月23日，查克·耶格尔驾驶X-1A的一次试飞。当飞机在22860米高度飞出马赫2.44的速度时，X-1A突然失控，耶格尔费尽九牛二虎之力才重新控制住飞机，从而避免了一次机毁人亡的惨剧。
由于最终投入使用的第二代X-1只有两架，难以满足测试的需要，NACA在50年代初责成贝尔对第二架X-1进行了大幅度的改造，为其换上了全新设计的薄型机翼(相对厚度只有4％)、更好座舱和火箭动力弹射座椅，改造后的飞机被命名为X-IE。
X-1E共完成26次试飞，最高速度和最高飞行高度分别达马赫2.24和22860米。至此，经过第二代X-1和X-1E的测试，X-1的潜力已被挖掘殆尽，这时另外一种贝尔研制的试验机已经在高空、高速飞行领域取得新的突破。
二战结束前夕，贝尔与陆航和NACA签订了研制xS-1后掠翼改型的协议，飞机编号X-2。X-2的机身外形与X-1大同小异，但换上了后掠角达40度的机翼，动力由一台反应发动机公司的XLR25火箭发动机提供。此外，为了应对在马赫2.5以上速度飞行时所出现的气动加热现象，X-2机体由不锈钢材料制成。X-2的发射程序与X-1基本相同，只是将母机换成性能更好的EB-50。
X-2可以说是整个x系列飞行器中命运最为悲惨的机型。1953年5月12日的首次投掷测试中，X-2刚刚被投下后便凌空爆炸，试飞员让·齐格勒当场身亡，担任投放任务的EB-50严重受损，但仍勉强返回基地。直到2年后的1955年11月1日，X-2才完成了首次动力飞行。同年7月3日，X-2创造了新的世界速度记录——马赫2.81，次年9月7日又创造了38466米的高度世界记录。1956年9月27日，米尔本·阿普特上校驾驶X-2创造了马赫3.06的非正式世界记录，X-2由此成为首架突破三倍音速大关的飞机。然而，X-2在返航途中操纵急剧恶化，并很快宣告失控，最终以机毁人亡的惨剧收场。
X-1和X-2系列试验机虽然与后来的航天飞机计划并无直接关系，但从技术角度看，它们却是航天飞机诞生历程这个“万里长征”中第一步。X-1的成功不仅证明了超音速飞行的可行性，而且在超音速飞机的结构、气动设计，飞控系统及座舱布局等方面取得了突破性的进展，为日后的高超音速飞行奠定了坚实的技术基础。X-2虽然问题多多，但同样取得了不容忽视的丰硕成果，其中最为突出的当属它所采用的耐高温不锈钢合金机体机构，这是飞机结构设计上的一大突破，此外，X-2的测试还深化了人们对高马赫数飞行气动特性和气动加热的认识。X-1和X-2的历史使命结束后，另外一种新式高空、高速试验机也在孕育之中，它的到来将在航空史上写下辉煌的篇章。
终极火箭飞机
X-2虽然成功突破了3倍音速大关，并在高速飞行领域做出了不少建设性贡献，但要实现真正的宇航飞行仍有大量棘手的技术难题需要解决，研制一种速度更快、飞行高度更高的验证机势在必行。实际上，早在上世纪40年代末，不少专家就提出研制用于高超音速飞行研究的验证机，但没能获得NACA和美国军方的正面回应。直到1952年6月24日，NACA才通过决议，决定拓展其验证机计划，以探索飞机在高马赫数及超高空环境下的飞行特性。与此同时，美国空军也在进行类似的研究，于是1953年空军科技顾问委员会建议NACA、空军和海军合作进行相关研究。1954年7月9日在华盛顿举行 的正式会议中讨论了高超音速验证机的必要性及其设计概念，最后指定5名来自NACA兰利研究中心的工程师组成极音速研究委员会进行相关研究工作。
1954年底，进行联合研制的三方面商定了新式验证机的基本设计要求，并授予其X-15的正式编号，随即由美国空军代表它们向美国国内的飞机制造商发出招标书。当时共有八家公司接到了竞标邀请，但只有贝尔、道格拉斯、共和及北美四家公司做出回应，在对他们提交的方案进行审查后，NACA于同年年底宣布北美的方案中标，并与其签订了制造3架原型机的合约。虽然NACA事先对X-15上将会遇到的一些问题做了不少研究，但由于X-15的飞行包线覆盖了不少当时航空领域的处女地，北美依然必须面对空气动力学和结构材料方面的巨大挑战。
北美在X-15研制中采取了保守而稳妥的做法，为X-15选择了常规布局，整个机身呈圆柱形，后掠角24度的梯形主翼展弦比2.5，相对厚度只有5％。钛合金结构的主翼上并未设置副翼，滚转通过水平尾翼的差动实现，主翼内侧装有两个液压致动的小型襟翼。空气动力学方面的研究表明，在攻角姿态下进行高速飞行时，X-15需要较大的垂直安定面来维持必要的稳定性。因此，X-15除了传统的全动式水平尾翼外，还安装了面积很大的楔形垂尾和腹鳍。以往飞机在攻角5-6度时，便会遭遇稳定性不佳的问题，而X-15在从高空返回地面时的攻角更是高达20-25度之多，稳定性问题势必更加突出。NACA专门研制了一种楔形垂直安定面，其后缘为一个12英寸宽的平面，在超高音速飞行时能赋予飞机更好的稳定性。垂尾设有为用于控制飞行方向的方向舵，腹鳍则为可抛式设计，在着陆前抛离机身，以腾出机腹空间利用滑撬着陆。后来人们在试验中发现在没有腹鳍的状态下，飞机依然有着良好的纵向稳定性，因此在后来的高空试飞中，X-15都没有安装腹鳍。
对北美而言，X-15研制过程中最大的挑战莫过于如何使机体承受高速飞行中产生的高温。为此，北美选择用一种名为“因康奈尔-X”的耐高温镍基合金覆盖X-15机体表面大部分蒙皮及机翼前缘部分，以对抗高速飞行中产生的巨大热量。这种特殊的材料在温度超过648.9度时仍能维持良好的刚性，美中不足的是共重量为普通合金的3倍，因此只用于机体温度最高的部分。出于减轻机体重量的考虑，机身内非高热段更多的使用了钛合金。
X-15原定的动力装置是反应发动机公司研制的XLR99火箭发动机，这是一种单室火箭发动机，以无水氨和液氧为燃料。X-15机体内装有两个大型圆柱形燃料罐，分别装有3813公斤无水氨和4722公斤的液氧。在环状氧化剂槽内装有一具高压氦气筒。另外，在机身内部其他部位也装有圆形氦气筒，以为飞控装置，发动机启动及弹射座椅提供动力。氨燃料由一个环形燃料箱和一个核心燃料箱构成，设在氨燃料箱之后的是一个容量77.5加仑的圆形过氧化氢燃料箱，发动机启动时，过氧化氢经过高压氮气加压输送至气体发生器产生高压蒸汽推动涡轮泵。燃料经过涡轮泵中的离心泵加油后输送至发动机，氧和氨在第一级点火段混合油三个火花塞点燃后送至第二级点火段，然后再进入燃烧室。氨在注入燃烧室之前会先通过环绕在燃烧室外的管线中对燃烧室实施冷却。
考虑到传统的气动控制面在大气层边缘飞行时会基本丧失功能，北美在X-15身上设置了贝尔宇航公司研制的反推力控制装置。该系统利用从高压过氧化氢分解得到的高压蒸汽为工作介质，从遍布机体上的12个喷口喷出，从而可以在稀薄的大气边缘有效的控制飞机。
X-15的座舱设计别具一格，其中最为特别之处当属它配备了三根操纵杆。传统中置的操纵杆用于大气层内的飞行控制，飞行员右手边上还有一根与中置操纵杆互联的辅助操纵杆，其用途是在大过载时方便飞行员控制飞机，左手边的第三根操纵杆是用来控制飞机的反作用力控制器，以便在大气层外控制飞机。后来在试飞中发现中置操纵杆的用处不大，遂将其拆除，只保留了侧置操纵杆。座舱盖完全用“因康奈尔-X”合金制造，座舱上镶嵌有能承受399度的双层玻璃。
向地球边缘冲刺
1955年10月15日，首架X-15在北美公司位于加州的工厂下线，两天后运往爱德华兹空军基地进行为期5个多月的地面测试。与以往的X系列火箭飞机一样，X-15仍是由一架大型飞机携带到高空投放，再利用自身的动力完成余下的飞行。1959年3月10日，X-15首次由B-52携带升空，同年5月8日进行了首次无动力滑翔试飞。
1959年9月17日，斯科特-克罗斯菲尔德驾驶2号机完成了X-15的首次动力飞行，由于X LR99仍未备妥，X-15在前11次动力飞行中使用的是两台XLR11发动机。XLR11的性能虽然远逊于XLR99，但依然让X-15展现出了过人的飞行性能，在9月17日的首次动力飞行中，X-15便达到了马赫2.1的速度。
1960年3月28日，反应发动机公司终于交付了首台XL R99。虽然在地面测试中曾发生爆炸事故，但新发动机还是很快展现出了超群的性能。X-15在一系列试飞中不断地将飞行高度和速度记录刷新。1960年8f14日，NASA(这时NACA已经改组为国家航空航天局，即NASA)试飞员约瑟夫·沃克尔以3530.8公里／小时的速度刷新了4年前由X-2创造的旧记录。次年2月7日，阿尔文·怀特驾驶X-15达到了马赫3.5的速度，一个月后一举飞出了马赫5.27的惊人速度，仅过了4天，沃克尔驾驶X-15达到了，令人瞠目结舌的6倍音速。于此同时，X-15还在不断地挑战人类飞行高度的极限，到1962年4月30日的第36次试飞中就达到了78公里的设计飞行高度。此后X-15继续再接再厉，不停地向太空边缘冲击。1962年7月17日，怀特驾驶X-15达到94.3公里的高度，次年7月19日沃克尔驾机成功达到105公里的高度，X-15由此成为第一种进入太空的有翼飞行器，8月22日成功冲击了107.96公里的高度。这个高度作为飞机的非正式飞行高度记录一直保持到2006年才被维珍一大西洋公司投资制造的“太空船一号”打破。
X-15早期的试飞一直颇为顺利，但在1962年11月9日却发生了一次重大事故，X-15的2号机点火发射后不久就因发动机故障而不得不进行高速迫降，飞机严重受损，试飞员约翰·麦克凯伊身负重伤。事后NAsA决定将2号机修复，并将其改良为性能更好的X-15A-2。
X-15A-2与原来X-15之间最大的不同之处是在翼根下方加挂两个大型可抛式燃料箱，以使发动机的工作时间延长70％。此外，X-15A-2的机身有所加长，座舱风挡改为椭圆形，玻璃也从原来的两层增至三层。1964年2月19日，改造完成的X-15A-2返回爱德华兹，但直到1965年11月3日才首次进行了挂载外置燃料箱的试飞。1966年11月18日，威廉·奈特驾驶X-15A-2创造了马赫6.33的新纪录。1967年10月3日，奈特又飞出了马赫6.7的惊人速度，这也是X-15所达到的最高速度。
就在X-15试飞临近结束时，一起重大事故为原本近乎完美的试飞记录留下了巨大的遗憾。1967年11月5日，美国空军试飞员迈克尔-亚当斯在试飞X-15时因仪表问题而导致飞机失控，最后飞机在空中解体，亚当斯不幸身亡。在此之后，由于项目资金即将告罄，加之XLR99的潜力已经被发掘殆尽，NASA遂决定结束X-15的试飞，1968年10月24日，威廉·达纳驾驶X-15完成了项目的第199次试飞，为这个历时10年的项目划上了句号。硕果累累
X-15可以说是整个X系列飞行器中最具野心，同时也是科研成果最为丰厚的机型，它同时也是人类航空航天史上最为重要的高性能验证机计划。经过10年的研究和试飞，NASA通过X-15解决了大量载人航天飞行的关键技术，在太空生理学、超音速空气动力学与气动热力学、高速滑行飞行及耐高温材料等领域，X-15均进行了深入的试验。直至今日，X-15试验数据仍是美国高速验证机研究计划的宝贵数据。
X-15在有翼航天器的发展史上具有里程碑式的意义，通过它的研制、试验，美国扫清了阻碍航天飞机发展的主要障碍，也令美国自此在有翼航天器研究领域居于领先位置，并一直延续至今。