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  1996年,美國國家航空航天局(英語:NASA)提出了Future-X計劃,該計劃分為了兩個子計劃,其中的“探險者”計劃即成為了X-37計劃。1999年,NASA與波音公司簽署協議,進行一項為期4年的X-37驗證機專案,總投資為1.73億美元,其中波音公司投資了6700萬美元與價值1600萬美元的實物。其後,美國空軍也加入進來,同時投資了1800萬美元。  2000年,波音公司研製出了X-40A(X-37的85%縮比測試機),並交付給NASA。2001年3月至5月間,X-40A由CH-47直升機將其吊起在空中進行了七次高空投放無動力滑翔試驗。2002年,美國空軍停止了投資,而NASA與波音公司則繼續簽訂了3.01億美元的合同進行研製。  2004年,NASA認為此專案不再符合其長期目標,因此將它交給了美國國防部高階研究計劃局(英語:Defense Advanced Research Projects Agency,英語:DARPA)進行開發,同時也成為了機密專案。

  2005年,X-37準備進行無動力投放試驗。原先計劃使用B-52轟炸機攜帶X-37,但之後決定改用白色騎士號。6月21日,X-37首次升空。2006年2月及3月,曾兩次計劃進行投放試驗,但因天氣原因而推遲。  2006年4月7日,X-37首次進行了無動力投放試驗,但著陸時衝出跑道,頭部受損。8月18日與9月26日,又進行了兩次投放試驗,其中至少有一次成功著陸。

  2006年11月,美國空軍宣佈以X-37A為基礎發展X-37B,稱為軌道試驗飛行器(英語:Orbital Test Vehicle,英語:OTV),由美國空軍下屬的快速反應能力辦公室(英語:Rapid Capabilities Office)主持,同時NASA與美國空軍研究實驗室(英語:Air Force Research Laboratory,英語:AFRL)也參與研製。原定於2007年底至2008年初試飛的X-37B,幾經推遲後將首飛時間改到了2010年。  2010年4月22日,第一架被命名為OTV-1的X-37B從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地搭乘阿特拉斯-5型運載火箭發射升空,並在12月3日成功在加利福尼亞州范登堡空軍基地降落。  2011年3月5日,X-37B型太空飛機(又稱OTV-2)在佛羅里達州的卡納維拉爾角由火箭運載,於當地時間傍晚5時半左右升空,進行了第2次的環繞地球軌跡測試,並在太空飛行逾469天后在2012年6月16日美國西岸時間清晨降落加州范登堡空軍基地。它比X-37A飛行日數多出225天,比設計飛行日數多出199天。  2012年12月11日,X-37B(OTV-3) 自佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空,歷經長達22個月(674日)的軌道飛行,已於2014年10月17日上午9時24分降落在加州的范登堡空軍基地,為目前待在太空中最久的X-37B。2015年5月20日,X-37B將會執行「測試一種新的離子推進器」任務。  2020年5月17日,X-37B在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。這是美軍首次向外界公佈X-37B航天器的飛行任務。

  X-37至今可分為三個版本,其中X-37是最原始的技術驗證機,X-37B則是為美國空軍研製的版本,X-37C則是X-37B的載人版本發展方案。  三個版本的X-37均是一架可以重複使用的太空飛機。在X-37不同系列的測試任務中,美國官方經常採用不同的材料去製造X-37的機身,使其可以瞭解在不同軌道環境下對機身製造材料的影響。

  X-37的機身採用全複合材料製造,機長大約八米、高度大約三米、翼展大約五米,其除了可依靠火箭搭載升空外,亦可透過大型飛機作為搭載平臺,將X-37投放升空。  在目前最新一個版本X-37B中,其機身不僅採用了全複合材料,還採用了新型可重複使用的防熱材料,使X-37B在重返大氣過程中可以有效防護所採生的極高溫度的熱力。

  X-37B採用了精準度極高的導航系統與自動著陸系統,使X-37B在完成任務時能精準確定著陸方位並自動返航降落至地球的飛行跑道上。其次,X-37B還擁有太陽能電池板和鋰電池,在進入預定軌道時X-37B可以依靠其自身的電力供應系統使其能夠在軌道飛行長達一年以上。

  中國軍事裝備專家張召忠少將認為美國會在此基礎上開發出徹底顛覆現有軍事武器體系的作戰系統。  瑞典斯德哥爾摩國際和平研究所美籍專家夏農·凱利在接受《環球時報》記者採訪時表示,如果太空戰機真的研製成功,那麼對它來說,現有的其他武器系統不過是原始的弓箭和長矛而已。“這比核武競賽更危險”。  美國的《基督教科學箴言報》稱,X-37B的試飛“非常清楚地表明‘太空武器化’已經開始”。  俄羅斯空軍前司令科爾努科夫稱俄羅斯或因此成第二個“伊拉克或南斯拉夫”。他認為,俄羅斯沒有能力防禦來自太空的打擊,“這意味著短期內美國已具有出手無人能敵的能力”。  亦有部分中國軍事專家認為X-37B因缺乏變軌機動性不是真正的太空戰機,美國的太空戰機SMV計劃距離投入實用還遙遙無期,美國現在公開此專案更多的是出於戰略威懾和誘導的意義。
X-37試驗機或稱為軌道試驗飛行器(英語:Orbital Test Vehicle,常縮寫為OTV)是美國波音公司研製的無人太空飛機。