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  對機身的請求在1954年12月30日公佈,1955年2月4日公佈對火箭發動機的請求。1955年11月北美航空公司簽訂了製造機身的合約,反應發動機在1956年簽訂了製造發動機的合約。  與其他X系列試驗機一樣,X-15首先是掛在一架B-52機翼下被帶到空中,然後火箭發動機開始工作。它的機身很長且為圓柱形。向後的整流片使機身看起來很平。背部及腹部的楔形垂直尾翼很厚。可收起的起落架包括機鼻起落架和兩個滑橇。初始型X-15A的兩具XLR-11火箭發動機提供36千牛頓推力,後來的XLR-99在海平面提供254千牛頓推力,在最高高度提供311千牛頓。  1958年之前,美國空軍和美國國家航空諮詢委員會(NACA,也就是NASA的前身)的官員提出了軌道執行式X-15(X-15B)的方案,這種X-15將會被一具SM-64納瓦荷式火箭(SM-64 Navaho missile)送入太空。在NACA成為NASA之後這個方案被拋棄,取而代之的是水星計劃。1959年,X-20Dyna-Soar太空滑翔機計劃成為美國空軍軍用載人太空飛行器的優先計劃。X-20計劃在1960年代早期被中止。  X-15的首飛是在1959年6月8日,飛行員為史考特·克勞斯菲爾德(Scott Crossfield),這次飛行實際上是一次無動力滑翔。同年9月17日進行了第一次有動力飛行。1960年11月15日進行了第一次使用XLR-99發動機的飛行。  整個專案中一共建造了三架X-15,它們總共飛了199次,最後一次在1968年10月24日。原計劃是在1968年11月21日,內華達州史密斯蘭奇(Smith Ranch),由威廉·奈特(William J. Knight)進行第200次飛行。技術與天氣的原因使這次飛行被推遲了至少六次,直到1968年12月。最後因為天氣原因,此次飛行在1968年12月20日被中止。地面人員將X-15從B-52上拆下,準備將它無限期地儲存起來。一架存放在華盛頓特區的國家航空航太博物館,一架存放在俄亥俄州代頓萊特派特森空軍基地(Wright-Patterson AFB)內的國立美國空軍博物館(National Museum of the United States Air Force)。編號56-6672的第三架X-15則是於1967年11月15日墜毀。  一共有12名飛行員駕駛過X-15,包括第一個登上月球的人尼爾·阿姆斯壯和約瑟夫·恩格。  1963年7月和8月,駕駛X-15兩次到達100公里以上高度,成為第一個兩次進入太空的人。  1967年11月15日第三架X-15在下降時開始尾旋,重力加速度到達15G(147 m/s2),飛機在空中解體,殘骸散佈在50平方英里的範圍內,飛行員麥可·亞當斯(Michael J. Adams)不幸在這起意外中犧牲。2004年6月8日,人們在加州蘭茲堡(Randsburg)附近、那架X-15座艙被發現的地方,為他豎立了一個紀念碑。除此之外亞當斯也被追綬太空人之翼(Astronaut Wings)勳章。1991年,他的名字被放入佛羅里達州肯尼迪太空中心的太空人紀念館。  第二架X-15在一次降落事故後被重建,它被加長了約0.74米,機身下加掛了兩個副油箱,而且被進行了隔熱處理。這架新飛機被命名為X-15A-2。它的首飛日期為1964年6月28日,最終設定了一項新的速度記錄:7,274 km/h(4520mph或2021m/s)。  一直到2004年太空船一號(SpaceShipOne)的第三次試飛之前,除了太空梭以外還沒有飛行器能打破X-15的高度記錄。當然,無人空射火箭,例如“飛馬座”火箭,經常超越X-15的速度與高度記錄。被廣泛報導的X-43A超高音速飛機的新速度記錄,只是無人機新的記錄。這架小得出奇的飛機在2004年11月16日在29公里高度上達到了接近10馬赫的速度(10620km/h或6600mph或2.95km/s)。

  

  在美國,對於一個人要到達怎樣的高度才能被稱為「宇航員」兩種說法。美國空軍決定頒給任何到達80公里高的人太空人之翼勳章,但是國際航空聯合會將太空定義在100公里以上的高度。13架次的X-15到達了80公里高,其中兩個架次到達了100公里。駕駛飛機進入與太空環境相似的“適航大氣層”的飛行員們應該得到賞識,也許他們可以作為將來的中級或初級宇航員,儘管他們沒有被官方授予“宇航員”稱號。  墜毀

  Iven Kincheloe上尉在1957年9月被選中成為空軍的X-15試飛員(Bob White上尉作為他的替補),但是在X-15試飛前的一次F-104事故中犧牲。  在第191架次中犧牲。  <nowiki>*</nowiki>這兩名飛行員在離開X-15計劃後到達了100公里高(尼爾·阿姆斯特朗在雙子星座計劃和阿波羅計劃中進入太空,而約瑟夫·恩格則是在太空梭計劃中達成)。
北美X-15(North America X-15)是一架由北美航空所承製開發的火箭動力實驗機。X-15可能是在貝爾X-1之後,美國空軍/NASA/美國海軍X系列試驗機中最重要的一架。在1960年代,X-15打破了許多速度與高度的記錄,由於其飛行高度到達大氣層的邊緣,為之後的研究提供了重要的資料。它同時也是美國建造的第一個有人亞軌道飛行器。