העיצוב החיצוני (התצורה) של המטוס היה רק אמצעי להשגת התנאים האידיאליים להתגבר על הטמפרטורות הגבוהות והלחצים האווירודינמיים שלהם הוא יועד להיות נתון, ולא להגדיר או להנחות תקן בנייה עתידי למטוסים מבצעיים. המטוס הונע על ידי מנוע רקטי שיועדה לשמור על מהירות אופקית קבועה, ללא קשר לגובה הטיסה. בתוכנית הניסויים השגרתית ה-X-15 הושמט מכנף ימין של מטוס אם, דגם מיוחד של המפציץ B-52 סטרטופורטרס, בגובה של כ-14,000 מטר, עף במשך בין דקה אחת לחמש, עד לנקודה שבה נגמר הדלק הפנימי, ואז ביצע טיסת גלישה ונחת באחד האגמים היבשים הנמצאים בטווח הבדיקה.
המטוס, שהיה ביכולתו לטוס במהירות גבוהה יותר ממהירותו של קליע, הזניק את גבולות התעופה לקצה האטמוספירה של כדור הארץ, ואסף שפע של נתונים שבלעדיהם תוכנית הטיסה המאוישת של ארצות הברית לא הייתה יוצאת לפועל.
במהלך שנות ה-40 המאוחרות ותחילת שנות ה-50, התעשייה האווירית של ארצות הברית הגנה על העיקרון שטיסה על-קולית הוא תחום השמור לטילים, היחידים המסוגלים לפעול במהירות זו ובגובה רב מאוד, ושטיסות במהירויות כאלו הן בלתי אפשריות מבחינה טכנית עבור כלי טיס מאוישים. כמו כן, הם טענו כי אין צורך בקיומו של מטוס מחקר מכיוון שבעתיד הנראה לעין לא יהיו בקשות למטוס צבאי או אזרחי בעל מאפיינים כאלה. עם זאת, בניגוד למחשבה הרווחת, ביוני 1952 המליצה הוועדה הלאומית המייעצת לאווירונאוטיקה (קודמתה של נאס"א הנוכחית) על הרחבת תחומם והגדלת התקציב של המחקרים העוסקים בטיסה על-קולית. בין יתר עבודותיה השונות החלה הרחבה של תחום המחקר עבור נושאים שהיו לגבולות טכנולוגיים והיו לבעיות המרכזיות עבור הפיתוח העתידי. בשנת 1954, עדיין באותו הקשר, החלו מחקרים טכניים בנושאים שזוהו בעבר כבעייתיים: עמידות של חומרים לטמפרטורות גבוהות, אווירודינמיקה, שליטה, יציבות והטסה במהירות על-קולית. המחקרים שבוצעו באופן עצמאי על ידי מעבדות הוועדה הלאומית המייעצת לאווירונאוטיקה השונות, הוכיחו באופן חד משמעי את היתכנות הפרויקט.
גם חיל האוויר של ארצות הברית באוקטובר 1953, באמצעות "המועצה המדעית והמייעצת" שלו המליץ על פיתוח מטוס מחקר למהירויות שבין מאך 5 ל-7. בערך באותו תאריך מימנה "מחלקת המחקר הימי" של הצי של ארצות הברית את חברת דאגלס איירקראפט קומפני למען פיתוח מחקרים וחקר היתכנותו של מטוס מונע רקטות המסוגל להגיע במהירות לא יציבה (משמע משתנה, באופן שהמהירות המקסימלית מתאפשרת לטווח זמן קצר) של מאך 7+, המיועד למטרות ניסוי ולא ביצוע.
מאפיינים.
הרכב חומרים ואמידות.
ה-X-15 נורת' אמריקן תוכנן ונבנה על ידי צוות מהנדסים בראשות האריסון סטומס וצ'ארלס פלץ, תוך ביצוע משימה קשה ביותר להשגה ופריצת דרך טכנולוגית. עם עיצוב חיצוני שנראה פשוט, ה-X-15 היה למעשה אולי המטוס המורכב ביותר מבחינה טכנולוגית של זמנו. אוסף הנתונים המאסיבי, שסופק על ידי בדיקות וטיסות מבחן, הרוח החלוצית בהבנה וגילוי עקרונות היציבות העל-קולית, הנחיה ובקרה בסביבה חסרת משקל, ניסויים שבוצעו בשולי האטמוספירה של כדור הארץ, תרמו כולם עבור הפיתוח של המטוס ותרמו גם בצורה משמעותית עבור פיתוח טכנולוגיית ניווט אסטרונומית בתוכנית אפולו.
בקרב קהילת הנדסת התעופה והחלל, הוא נחשב פה אחד להיות מטוס הניסוי המוצלח ביותר שיוצר אי פעם.
המעטפת החיצונית של ה-X-15 הייתה מסוגלת לעמוד בטמפרטורות קיצוניות, בין 390 מעלות צלזיוס ל-1,200 מעלות צלזיוס בשלבי הטיסה המהירה ביותר, המבנה שלה היה נתון גם לעמידה בלחצים משתנים של עומס כבידה בין 7.3 גרם יותר ו-3 גרם פחות. הסגסוגות המתכתיות המשמשות כיום בבנייה אווירונאוטית, המספקות התנגדות מכנית ותרמית יוצאת דופן, עדיין היו בצעדיהן הראשונים בעת הפיתוח של המטוס, וייצורן בכמות תעשייתית לא עמד על הפרק. חלקן בכלל עדיין לא פותחו, מה שהציב מחויבות מורכבת למדי למהנדסים שהיו אחראים על בחירת החומרים מהם יהיה עשוי המטוס.
לאחר ניתוח קפדני מאוד של הלחצים שיופעלו על גבי כל חלק של גוף המטוס, הושג מבנה מכני חזק יותר, קל וגמיש יותר, מבלי לפגוע בביצועים החוזים, וכתוצאה מכך נוצר "קוקטייל" של חומרים אקזוטיים. מתכת מסוג אינקונל X שימשה את עיקר הציפוי החיצוני, בשל חוזקה המכני הגבוה העמיד בצורה מוחלטת עד 700 מעלות צלזיוס והירידה האיטית בתפקוד התכונות הפיזיקליות שלה עם עלייה בטמפרטורות מעבר לכך. במבנה הגוף הפנימי, שבו העומסים התרמיים היו נמוכים יותר, נעשה שימוש בסגסוגת אלומיניום אמידה במיוחד, סגסוגות טיטניום וסוגים מיוחדים של פלדה.
תא הטייס ומערכות הבקרה.
בתא הטייס של ה-X-15 היו כמה חידושים, שסיווגו אותו כלא שגרתי אפילו לפי תקן של מטוס ניסוי. לפיכך, בנוסף לג'ויסטיק המרכזי המסורתי בין הגפיים התחתונות של הטייס, לשליטה אורכית על כיוון הטיסה ולגלגול גחון, היה ג'ויסטיק שני בצד ימין, המחובר ישירות לראשון באמצעות מערכת הידראוליקה ומופעל על ידי הטייס בתנועת שורש כף היד. הג'ויסטיק המרכזי הוסר בסופו של דבר, עקב הבחירה וההעדפה של רוב הטייסים להשתמש בצדדי. הג'ויסטיק השלישי הוצב משמאל לטייס, בשימוש רק בטיסה תת-מסלולית כאשר לא הייתה שליטה אווירודינמית על המטוס, מה שגרם לרקטות התמרון המותקנות בכנפיים לפעול דרך פתיחה וסגירה של שסתומים. בתחילה חיל האוויר האמריקאי כפה אימוץ של תא טייס שניתן לווסת אותו כתא מילוט, אולם סקוט קרוספילד, אחד המהנדסים האחראים על הפרויקט, טייס ניסוי עבור תעופה צפון אמריקה וטייס עתידי של ה-X-15, הצליח לשכנע את מקבלי ההחלטות לבחור בפתרון באמצעות מושב מפלט חירום, שמיש בין 120 קמ"ש למאך ארבע ומותאם לגובה של עד 40 אלף מטר בשלב הפיתוח שלו.
יש לציין גם את קיומה של מערכת עזר אוטומטית לחלוטין, שנועדה להגביר את יציבות המטוס, במיוחד את הנטייה להתגלגלות הגחונית בכניסה מחודשת לאטמוספירה. ככלל, ה-X-15 יכול להיחשב כמיני מעבדת טיסה, מלאה ברובה במכשור מדעי, בציפוי החיצוני כמו גם בקטע הפנימי שלו נוצרו יותר מאלף חיישנים, אשר תיעדו את כל הפרמטרים הקשורים לטיסה, בנוסף לגורמים חיצוניים כגון עומס אווירודינמי וטמפרטורה.
מנועים ודלק.
מציאת מנוע מתאים היווה מכשול מבין השלבים המוקדמים של פרויקט הפיתוח. התיאורים הקונקרטיים הראשונים של המנוע שיושמו בסופו של דבר על ה-X-15 נעשו ב-22 באוקטובר 1954, במהלך ועידה לקביעת, בין היתר, איזה תאגיד יופקד על בניית התא. עם זאת, מאחר שהמשתתפים לא היו מומחים או בעלי מידע הולם על מנועי רקטות, הם הגבילו את עצמם לסיכום הפרויקטים ושלב הפיתוח שלהם. לאחר שנורת' אמריקן נבחרה כזוכה בתחרות לבניית המטוס וניתן לה מענק לבנייתו, נמסר לתאגיד ריאקשן מוטורס שמנוע ה-XLR30 שלו (שעדיין היה בשלבי פיתוח עוברי ומאוחר יותר שונה שמו ל-XLR-99) מיועד להיות חלק מהפרויקט. המנוע החדש נדרש בעיקר כדי להיות מסוגל לפעול בכל התנאים ולהתגבר על במצבי עומס כבידה גבוהים. אמינות, אורח חיים בשירות ותפעול היו אמורים, או צפויים, להתקרב לסטנדרטים הרגילים במנועי ייצור, אך הנחות כאלה לא היוו תנאים חיוניים עבור קבלה.
ב-4 באוקטובר 1957 הפתיעה ברית המועצות את העולם על ידי שיגור ספוטניק 1, הלוויין המלאכותי הראשון שהקיף את כדור הארץ. ניצחון סובייטי זה במרוץ לחלל זעזע את היוקרה המדעית והטכנולוגית של ארצות הברית, ועדיין נחשב לאיום רציני על הביטחון האמריקאי. הגאווה הלאומית נפצעה ולא היה בידי ארצות הברית שום כלי שהיה מוכן להגיב ולהשתוות להישג הסובייטי, מלבד ה-X-15, שעם שינוי ייעודו הניסויי והוספת המנוע החדש עבורו היה מסוגל לבצע טיסה תת-מסלולית שחצתה את האטמוספירה והגיעה לחלל. ההישג של המטוס הפחית במידה מן הפגיעה ביוקרה הלאומית האמריקאית.
בפגישה שהתקיימה על גבי נושאת המטוסים USS פורסטאל (CVA-59), שבוע לאחר שיגור הלוויין הסובייטי, בין כמה גורמים מן הדרג המדיני-ביטחוני לבין ועדת האווירודינמיקה של הוועדה הלאומית המייעצת לאווירונאוטיקה, הוחלט לתת דחף חזק ל-X-15 במונחים טכניים ופיננסיים. עם זאת, בעוד הוערך כי המטוס יוכל לצאת לפעולה מבצעית שתחצה את האטמוספירה בתוך שנה, לפיתוח של המנוע לא היה בכלל זמן כניסה לשירות מוערך והפיתוח שלו נמשך זמן רב בהרבה מהמצופה וחרג משמעותית מלוח הזמנים.
במהלך המחצית הראשונה של 1958, משבר קצב הפיתוח של המנוע הגיע לשיא כאשר גנרל חיל האוויר סמואל א. אנדרסון איים על נשיא חברת הבנייה ריאקשן מוטורס לקרוע את החוזה ולהשהות את המימון עבור החברה עם לא תגביר את קצב הפיתוח. לבסוף הוחלט להקדים את הטיסה דרך שימוש בשני מנועים שונים, קטנים יותר מ-XLR-99 המיועד עבור המטוס:
ה-XLR11 היה מבוסס על אתנול בשילוב עם חמצן נוזלי כדלק. ה-XLR99 היה מבוסס לעומת זאת על אמוניה כדלק. לצורך בקרת תגובה ומהירות טיסה, כאשר המטוס היה בסביבה חסרת משקל, שתים עשרה הרקטות שהוצבו בקצה הכנף ובאחורי המטוס הונעו על ידי חמצן נוזלי, ולכל אחד מהם הספק משתנה בין 8 ל-12 ק"ג.
יציבות על-קולית, ציוד נחיתה וזנב.
מכיוון שה-X-15 שוגר ממטוס אם רק מגובה מסוים, לא עלה הצורך בשילוב כלי המראה עצמאיים משלו. הפתרון שנמצא עבור הנחיתה הצטיין בפשטות שלו: בציר הראשי והאחורי הוחלפו הגלגלים הרגילים בזוג גלגיליות, אשר להבי הטיטניום שלהם החליקו לאורך המסילה, פתרון זה עמד בדרישות חיוניות כגון הפחתת משקל, ביטול המקום הדרוש להצבת הגלגלים וכן אמידות גבוהה יותר מפני חום.