為了探索航空航天領域眾多的未知領域，美國人開始了 X 系列試驗飛行器的研究工作。1945 年初，世界上第一架火箭動力試驗機 XS-1（後來命名為 X-1）在美國軍方的資助下首飛成功。這之後，X-3、X-4、X-5 等一大批試驗飛行器相繼飛上了藍天。在隨後近三十年的發展過程中，以 X 冠名的試驗飛行器幾乎每年都要研製一種，其研製速度也快得驚人，這段時間因而也成為了 X 系列試驗飛行器發展的黃金時期。
越南戰場上的節節失敗和蘇聯全球範圍內的戰略緊逼，讓美國開始進入戰略調整階段。在這種大環境下 X 系列試驗飛行器的研製計畫也陷入了停頓，從 1971 年至 1983 年美國沒有進行任何一種 X 型試驗機的研製工作。
強硬的里根總統上臺後，沉寂了多年的 X 系列試驗飛行器計畫終於迎來了轉機，1984 年 X-29A 前掠翼試驗機的首飛成功重新拉響了美國向未知航空航天領域前進的號角。僅在上個世紀九十年代的十年間，就先後有 14 種 X 型試驗飛行器投入研製，X 系列試驗飛行器計畫的第二個黃金髮展時期來到了。
今天，X 系列試驗飛行器已經不再單純以「更高、更快」作為其發展目標了，跨大氣層飛行器、太空營救系統、無人隱形武器投送平臺等成為新的發展亮點。可以肯定的是，在未來的日子裡我們一定會看到越來越多更加先進的 X 系列試驗飛行器飛上藍天……
X-1 試驗機和 B-29 載機
X-2 試驗機項目於 1945 年由貝爾飛機公司、美國陸軍航空隊、NACA 共同承擔研製任務，它是一種裝備火箭發動機、後掠翼的試驗用機，其主要用途是為了研究飛行器在高空高速飛行條件下的氣動力加熱對機體結構的影響，以及飛行穩定性和操控有效性。
X-2 機長 13.84 米，機高 3.60 米，翼展 11.55 米。其機身使用了不鏽鋼和 K-monel（一種銅鎳合金）材料，其動力為一臺寇蒂斯 XLR25 液體火箭發動機。鑒於早期 X-1 發生的事故，X-2 為飛行員安裝了一個逃生艙。在緊急情況下，逃生艙可脫離主機身並打開穩定降落傘。當逃生艙降落到一定高度的時候，飛行員再可打開艙蓋自行跳傘逃生。即便如此，一架 X-2 還是在一次燃料泄漏事故中發生了空中爆炸，試飛員當場死亡。
X-2 試驗機與B-50載機
X-3
[上圖]道格拉斯飛機公司研製的 X-3 機長 20.36 米，機高 3.81 米，翼展 6.92 米，其外形就像一把短劍，是早期 X 系列試驗飛機中外形最流暢的。與 X-1、X-2 不同，X-3 是藉助自身的動力起飛和降落，並能保持進行 2 馬赫巡航飛行。X-3 機體結構首次嘗試大量使用鈦合金，同時還進行了低展弦比、高翼載機翼的可行性研究。X-3 的機身細長機翼短粗，這是當時美國正在研製中的戰鬥機的典型布局。後來，F-104「星」戰鬥機的翼形就是取自 X-3。
X-4
[上圖]洛斯羅普飛機公司的 X-4 主要是用來驗證半無尾翼超音速飛行的可行性，當時許多人認為這樣一種取消了水平尾翼的設計將能避免超音速飛行時機翼和水平尾翼之間振蕩波的相互干擾。
X-4 機體相當小巧，機長僅為 7.07 米，機高 4.54 米，翼展 5.15 米，只能容納兩臺 J30 噴氣發動機、一名飛行員和必要的設備，攜帶的油料也只能維持 45 分鐘。不過小也有小的好處，X-4 幾乎所有的地面維護工作都可以不需要登機梯或腳凳來完成，地勤人員站在地面上就可以很容易的看到機艙內部的情況。
X-5
[上圖]貝爾飛機公司的 X-5 將研究的重點轉向了變後掠翼。X-5 在外形上大量借鑒了德國在二戰期間研製的 P.1101，都是機頭進氣、氣泡式座艙和下置發動機設計。X-5 的機翼可在 20∼60 度之間變換，總共需要 20 秒鐘。當電動後掠裝置失效後，飛行員可使用手閘完成掠翼工作（X-5 只能在低於 40 度的後掠角度下安全著陸）。X-5 機長 10.18 米，機高 3.66 米，翼展為 6.34 米。
X-6
[上圖]在那個核力量至高無上的年代裡，美國空軍甚至開始考慮將核反應爐作為飛機的動力來源，以獲得超長的飛行能力。X-6 項目正是在這種背景下出臺的，按照美國空軍和美國原子能委員會的最初設想，X-6 以 B-36 轟炸機為基礎，安裝一臺通用電氣 P-1 型核反應爐，其產生的熱能將帶動四臺通用電氣 J47 渦輪噴氣發動機運轉，從而為 X-6 提供飛行動力。
X-7
洛克希德導彈與空間公司研製的 X-7 主要用來進行高速衝壓噴氣發動機的研究工作，其主要型號有 X-7A-1、X-7A-3 和 X-7B。X-7 體形很獨特，其長度為 9.99 米，翼展為 6.34 米，因而常被人戲稱作「飛行大煙囪」。試驗飛行時，X-7 會由載機 B-29 或 B-50 升入空中，然後脫離載機其尾部助推器點火發動從而自行飛行。衝壓發動機開始工作後，助推器則隨即與 X-7 脫離。
在長達 9 年的試驗飛行中（1951 年 4 月首飛），X-7 除了進行衝壓發動機的測試外還進行了導航與控制試驗、助推器推進試驗、高速降落傘試驗、熱力學試驗等諸多研究科目。美國空軍、陸軍和海軍均參與了 X-7 的試驗飛行，這在 X 系列試驗飛機研製史上是不多見的。X-7 是世界上第一架採用衝壓噴氣發動機速度達到 3 馬赫的飛行器。
X-8
X-8（海軍代號為飛行蜜蜂 Aerobee）是一種十分廉價的無制導探空火箭，長度為 6.12 米，直徑為 0.38 米。在其頭錐內攜帶有各種光學、大氣、生物等試驗設備，以蒐集關於太陽輻射、高空風、地球磁場和火箭空氣動力學等方面的數據。X-8 裝備有 RTV-N10 型液體燃料火箭發動機和固體燃料助推器，最大速度可達 6 馬赫。
X-11
X-12
X-12 長度為 31.40 米，直徑為 3.65 米，其第一級安裝有四臺北美 XLR-43-NA-5 火箭發動機，第二級則是一臺，最大速度可達 18 馬赫。X-12 先後製造過 5 枚，但和 X-11 一樣都在試驗中消耗了，沒有任何一枚能夠保存下來。
X-13
X-13 是一種純粹使用噴氣發動機來完成垂直起降的試驗型飛機，垂直起降技術現在看來已經不是什麼新鮮事了，但在二十世紀五十年代中期卻是相當前衛同時也是難度頗大的設計。
X-14
X-14 的機身和機翼分別取自兩種不同的飛機，所以它的外形看上去十分怪異。X-14 機長 7.92 米，機高 2.71 米，翼展 10.30 米。由於沒有安裝彈射座椅，X-14 的座艙是半開式的，飛行員可在緊急情況下迅速離開駕駛艙。
X-15 在近十年的時間裏，X-15 先後創造了 6.72 馬赫和 108,000 米的速度與升限的世界記錄.
X-16
貝爾飛機公司的 X-16 是一種高空照相偵察飛機，X-16 機翼奇長，其翼展達到了 34.75 米。根據 1953 年美國空軍提出的要求，X-16 升限應該能達到 21,000 米左右，航程也應在 2,800 公里以上，同時具有亞音速飛行能力。
X-17
洛克希德公司的 X-17 是一種三級固體燃料火箭，用來獲取製造再入大氣層運載工具所需的試驗數據。X-17 長度為 12.33 米，最大直徑為 0.79 米，總共裝備有四臺固體火箭發動機。根據 X-17 一系列試飛試驗所獲得的寶貴數據，美國先後研製出了一大批再入大氣層飛行器。另外，X-17 是首架採用鈍形頭錐設計的飛行器。
X-18
美國希勒飛機公司的 X-18 是美國研製的第一種可傾轉翼飛機，說它是後來 XC-142 和 V-22「魚鷹」的「祖
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