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  X-3是早期試驗機中看上去最先進的,但是這個計劃的成果卻不令人滿意。X-3計劃的目標很有野心:它會自己從地面起飛(以往的試驗機都由母機帶到空中),爬升到很高的高度,保持以2馬赫的巡航速度飛行,然後自行降落。這架飛機的另一個任務是測試它的低展弦比機翼和鈦的應用。  1949年6月30日,兩架X-3被批准開始建造。由於原計劃為它們配備的Westinghouse J46發動機無法達到推力,尺寸和重量的要求,所以它被推力更低的Westinghouse J34發動機取代,這種發動機在開著加力時也只能提供4900磅的推力,遠遠低於計劃中的7000磅。第一架X-3完工後,在1952年9月11日被送往加利福尼亞州的愛德華空軍基地。第二架X-3的建造被中止,因為它的發動機與機身都有小毛病,在分解後,它被用作備用零件。

  X-3的“首飛”日期為1952年10月15日,由道格拉斯的飛行員 Bill Bridgeman駕駛。實際上那天只是要進行一次高速滑行測試,但出人意料的是,Bridgeman 竟駕駛著X-3起飛了,它在飛了約1英里後降落。官方承認的首飛日期為1952年10月20日,飛行員仍為Bill Bridgeman,這次飛行持續了約20分鐘。至1953年12月,Bridgeman總共完成了26次飛行(包括那次沒被官方承認的“首飛”)。這幾次試飛使人們意識到了一個大問題:X-3的動力嚴重不足,而且很難操縱。它的起飛速度異乎尋常的高(260節,即482km/h),更糟的是,它的效能沒有達到要求。它的第一次超音速飛行是一次向下15度的俯衝,速度為1.1馬赫。X-3的最高速度為1.208馬赫,這是它在1953年7月28日的一次向下30度的俯衝時達到的。  隨後,X-3在1953年12月被送到美國空軍,進行約定好的測試。X-3的低效能使整個計劃不得不被簡化。Frank Everest上校與查克·葉格各飛了三次。儘管是由美國空軍飛行員來駕駛,但這幾次試飛卻被算做是NACA完成的。1954年7月查克·葉格最後一次駕駛X-3之後,NACA決定利用X-3來完成很少的試飛工作。最初的幾次試飛被用來研究縱向穩定性,操縱性,機翼及尾翼負荷和氣壓。  1954年8月23日,NACA的飛行員 Joseph A. Walker完成了他的檢驗性試飛,在1954年9月至10月間,他又完成了八次試飛。1954年10月後期,對X-3的研究又將機身後部的穩定性與全機的方向控制包括了進來。在這些測試中,X-3將會在接近音速或超音速飛行時,在不轉動方向舵的前提下突然做出橫滾動作。雖然X-3擁有這樣或那樣的缺點,但是對於這些測試來說,X-3正是理想的機型。它的發動機,燃料和結構都集中在了它那又細又長的機身裡,並且它的機翼又短又粗。這種佈局的結果是:X-3的負載集中在了機身上而不是機翼上。它是試驗機的典型佈局。NACA的測試使X-3完成了幾次很成功的試飛,但也使這架飛機差點墜毀。  1954年10月27日,Walker 在X-3速度達到0.92馬赫,高度為30000英尺(9100米)時做出了一個很突然的向左橫滾。  X-3的橫滾與預料中的相同,但是橫滾時它有20度的顛簸和16度的偏向。這架飛機旋轉了足足5秒,然後它才重新獲得了控制。緊接著,Walker駕駛著飛機去完成下一個任務。他讓X-3進行俯衝,並且在高度為32356英尺(9862米)時把它加速到了1.154馬赫,這時他又做出了一個很突然的向左橫滾。 X-3在這時猛烈地向下加速,設定了一項新的重力加速度記錄:-6.7g(-66 m/s2),然後它又向上加速到+7g(69 m/s2)。與此同時,X-3又在傾斜著飛行,又是一個2g(20 m/s2)的重力加速度。儘管這樣,Walker 最後還是控制住了飛機並且成功地降落了。  後來的研究發現,在那個時候X-3的機身負載已經達到了極限。如果飛機繼續加速的話就可能會解體。Walker與他的X-3一同經歷了“橫滾慣性力偶”:在一個軸上的機動會引起另外一個或兩個軸不受控制地機動起來。與此同時,一些F-100也經歷了相似的險境。為了研究這個現象和解決這個問題,NACA專門開展了一項計劃。  對於X-3來說,這幾次經歷“慣性力偶”的飛行是整個計劃的頂峰。在將近一年之後,X-3被送到地面儲存,它再也沒有飛過。Walker在1955年9月20日至1956年5月23日之間又完成了10次飛行。這架飛機隨後被送到美國空軍博物館,並在那裡退役。儘管X-3沒有達到“在巡航速度為2馬赫時提供有關空氣動力的資料”的要求,它在軍中服役的時間還是很有價值的。這架飛機展示出了“慣性力偶”的危險性,並且為對於這個現象的研究提供了資料。它的機翼樣式被用在了F-104上,而且它還是第一批應用了鈦的飛機之一。X-3極高的起飛與降落速度又促使了輪胎技術的發展。  X-3最大的貢獻是它提供的關於“慣性力偶”的資料。這個現象會使飛機失去控制,而且它已經影響到了X-1和X-2的研究計劃。

  研究人員一共預訂了兩架X-3,但是最終只造了一架,即49-2892號。它一共飛了51次。  1956年,49-2892號被送到美國空軍國家博物館,但是在2006年它在“研究與發展陳列館”展出。
X-3“短劍”是一款道格拉斯公司製造的試驗機,它有著細長的機身和很尖的機鼻。它的主要任務是為將來要進行長時間超音速飛行的飛機尋找合適的特徵,包括鈦的大量使用。但是,這架飛機平飛時的最高速度連1馬赫都不到,這都要歸咎於Westinghouse公司的J34發動機。