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  1996年,美国国家航空航天局(英语:NASA)提出了Future-X计划,该计划分为了两个子计划,其中的“探险者”计划即成为了X-37计划。1999年,NASA与波音公司签署协议,进行一项为期4年的X-37验证机项目,总投资为1.73亿美元,其中波音公司投资了6700万美元与价值1600万美元的实物。其后,美国空军也加入进来,同时投资了1800万美元。  2000年,波音公司研制出了X-40A(X-37的85%缩比测试机),并交付给NASA。2001年3月至5月间,X-40A由CH-47直升机将其吊起在空中进行了七次高空投放无动力滑翔试验。2002年,美国空军停止了投资,而NASA与波音公司则继续签订了3.01亿美元的合同进行研制。  2004年,NASA认为此项目不再符合其长期目标,因此将它交给了美国国防部高级研究计划局(英语:Defense Advanced Research Projects Agency,英语:DARPA)进行开发,同时也成为了机密项目。

  2005年,X-37准备进行无动力投放试验。原先计划使用B-52轰炸机携带X-37,但之后决定改用白色骑士号。6月21日,X-37首次升空。2006年2月及3月,曾两次计划进行投放试验,但因天气原因而推迟。  2006年4月7日,X-37首次进行了无动力投放试验,但着陆时冲出跑道,头部受损。8月18日与9月26日,又进行了两次投放试验,其中至少有一次成功着陆。

  2006年11月,美国空军宣布以X-37A为基础发展X-37B,称为轨道试验飞行器(英语:Orbital Test Vehicle,英语:OTV),由美国空军下属的快速反应能力办公室(英语:Rapid Capabilities Office)主持,同时NASA与美国空军研究实验室(英语:Air Force Research Laboratory,英语:AFRL)也参与研制。原定于2007年底至2008年初试飞的X-37B,几经推迟后将首飞时间改到了2010年。  2010年4月22日,第一架被命名为OTV-1的X-37B从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地搭乘阿特拉斯-5型运载火箭发射升空,并在12月3日成功在加利福尼亚州范登堡空军基地降落。  2011年3月5日,X-37B型太空飞机(又称OTV-2)在佛罗里达州的卡纳维拉尔角由火箭运载,于当地时间傍晚5时半左右升空,进行了第2次的环绕地球轨迹测试,并在太空飞行逾469天后在2012年6月16日美国西岸时间清晨降落加州范登堡空军基地。它比X-37A飞行日数多出225天,比设计飞行日数多出199天。  2012年12月11日,X-37B(OTV-3) 自佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,历经长达22个月(674日)的轨道飞行,已于2014年10月17日上午9时24分降落在加州的范登堡空军基地,为目前待在太空中最久的X-37B。2015年5月20日,X-37B将会执行「测试一种新的离子推进器」任务。  2020年5月17日,X-37B在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。这是美军首次向外界公布X-37B航天器的飞行任务。

  X-37至今可分为三个版本,其中X-37是最原始的技术验证机,X-37B则是为美国空军研制的版本,X-37C则是X-37B的载人版本发展方案。  三个版本的X-37均是一架可以重复使用的太空飞机。在X-37不同系列的测试任务中,美国官方经常采用不同的材料去制造X-37的机身,使其可以了解在不同轨道环境下对机身制造材料的影响。

  X-37的机身采用全复合材料制造,机长大约八米、高度大约三米、翼展大约五米,其除了可依靠火箭搭载升空外,亦可透过大型飞机作为搭载平台,将X-37投放升空。  在目前最新一个版本X-37B中,其机身不仅采用了全复合材料,还采用了新型可重复使用的防热材料,使X-37B在重返大气过程中可以有效防护所采生的极高温度的热力。

  X-37B采用了精准度极高的导航系统与自动着陆系统,使X-37B在完成任务时能精准确定着陆方位并自动返航降落至地球的飞行跑道上。其次,X-37B还拥有太阳能电池板和锂电池,在进入预定轨道时X-37B可以依靠其自身的电力供应系统使其能够在轨道飞行长达一年以上。

  中国军事装备专家张召忠少将认为美国会在此基础上开发出彻底颠覆现有军事武器体系的作战系统。  瑞典斯德哥尔摩国际和平研究所美籍专家香农·凯利在接受《环球时报》记者采访时表示,如果太空战机真的研制成功,那么对它来说,现有的其他武器系统不过是原始的弓箭和长矛而已。“这比核武竞赛更危险”。  美国的《基督教科学箴言报》称,X-37B的试飞“非常清楚地表明‘太空武器化’已经开始”。  俄罗斯空军前司令科尔努科夫称俄罗斯或因此成第二个“伊拉克或南斯拉夫”。他认为,俄罗斯没有能力防御来自太空的打击,“这意味着短期内美国已具有出手无人能敌的能力”。  亦有部分中国军事专家认为X-37B因缺乏变轨机动性不是真正的太空战机,美国的太空战机SMV计划距离投入实用还遥遥无期,美国现在公开此项目更多的是出于战略威慑和诱导的意义。
X-37试验机或称为轨道试验飞行器(英语:Orbital Test Vehicle,常缩写为OTV)是美国波音公司研制的无人太空飞机。