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  对机身的请求在1954年12月30日公布,1955年2月4日公布对火箭发动机的请求。1955年11月北美航空公司签订了制造机身的合约,反应发动机在1956年签订了制造发动机的合约。  与其他X系列试验机一样,X-15首先是挂在一架B-52机翼下被带到空中,然后火箭发动机开始工作。它的机身很长且为圆柱形。向后的整流片使机身看起来很平。背部及腹部的楔形垂直尾翼很厚。可收起的起落架包括机鼻起落架和两个滑橇。初始型X-15A的两具XLR-11火箭发动机提供36千牛顿推力,后来的XLR-99在海平面提供254千牛顿推力,在最高高度提供311千牛顿。  1958年之前,美国空军和美国国家航空咨询委员会(NACA,也就是NASA的前身)的官员提出了轨道运行式X-15(X-15B)的方案,这种X-15将会被一具SM-64纳瓦荷式火箭(SM-64 Navaho missile)送入太空。在NACA成为NASA之后这个方案被抛弃,取而代之的是水星计划。1959年,X-20Dyna-Soar太空滑翔机计划成为美国空军军用载人太空飞行器的优先计划。X-20计划在1960年代早期被中止。  X-15的首飞是在1959年6月8日,飞行员为史考特·克劳斯菲尔德(Scott Crossfield),这次飞行实际上是一次无动力滑翔。同年9月17日进行了第一次有动力飞行。1960年11月15日进行了第一次使用XLR-99发动机的飞行。  整个项目中一共建造了三架X-15,它们总共飞了199次,最后一次在1968年10月24日。原计划是在1968年11月21日,内华达州史密斯兰奇(Smith Ranch),由威廉·奈特(William J. Knight)进行第200次飞行。技术与天气的原因使这次飞行被推迟了至少六次,直到1968年12月。最后因为天气原因,此次飞行在1968年12月20日被中止。地面人员将X-15从B-52上拆下,准备将它无限期地储存起来。一架存放在华盛顿特区的国家航空航太博物馆,一架存放在俄亥俄州代顿莱特派特森空军基地(Wright-Patterson AFB)内的国立美国空军博物馆(National Museum of the United States Air Force)。编号56-6672的第三架X-15则是于1967年11月15日坠毁。  一共有12名飞行员驾驶过X-15,包括第一个登上月球的人尼尔·阿姆斯壮和约瑟夫·恩格。  1963年7月和8月,驾驶X-15两次到达100公里以上高度,成为第一个两次进入太空的人。  1967年11月15日第三架X-15在下降时开始尾旋,重力加速度到达15G(147 m/s2),飞机在空中解体,残骸散布在50平方英里的范围内,飞行员麦可·亚当斯(Michael J. Adams)不幸在这起意外中牺牲。2004年6月8日,人们在加州兰兹堡(Randsburg)附近、那架X-15座舱被发现的地方,为他竖立了一个纪念碑。除此之外亚当斯也被追绶太空人之翼(Astronaut Wings)勋章。1991年,他的名字被放入佛罗里达州肯尼迪太空中心的太空人纪念馆。  第二架X-15在一次降落事故后被重建,它被加长了约0.74米,机身下加挂了两个副油箱,而且被进行了隔热处理。这架新飞机被命名为X-15A-2。它的首飞日期为1964年6月28日,最终设定了一项新的速度记录:7,274 km/h(4520mph或2021m/s)。  一直到2004年太空船一号(SpaceShipOne)的第三次试飞之前,除了航天飞机以外还没有飞行器能打破X-15的高度记录。当然,无人空射火箭,例如“飞马座”火箭,经常超越X-15的速度与高度记录。被广泛报导的X-43A超高音速飞机的新速度记录,只是无人机新的记录。这架小得出奇的飞机在2004年11月16日在29公里高度上达到了接近10马赫的速度(10620km/h或6600mph或2.95km/s)。

  

  在美国,对于一个人要到达怎样的高度才能被称为「宇航员」两种说法。美国空军决定颁给任何到达80公里高的人太空人之翼勋章,但是国际航空联合会将太空定义在100公里以上的高度。13架次的X-15到达了80公里高,其中两个架次到达了100公里。驾驶飞机进入与太空环境相似的“适航大气层”的飞行员们应该得到赏识,也许他们可以作为将来的中级或初级宇航员,尽管他们没有被官方授予“宇航员”称号。  坠毁

  Iven Kincheloe上尉在1957年9月被选中成为空军的X-15试飞员(Bob White上尉作为他的替补),但是在X-15试飞前的一次F-104事故中牺牲。  在第191架次中牺牲。  <nowiki>*</nowiki>这两名飞行员在离开X-15计划后到达了100公里高(尼尔·阿姆斯特朗在双子星座计划和阿波罗计划中进入太空,而约瑟夫·恩格则是在航天飞机计划中达成)。
北美X-15(North America X-15)是一架由北美航空所承制开发的火箭动力实验机。X-15可能是在贝尔X-1之后,美国空军/NASA/美国海军X系列试验机中最重要的一架。在1960年代,X-15打破了许多速度与高度的记录,由于其飞行高度到达大气层的边缘,为之后的研究提供了重要的资料。它同时也是美国建造的第一个有人亚轨道飞行器。