在上世纪50年代冷战高峰时期，出于对苏监视和侦察需要，U-2“蛟龙夫人”高空侦察机应运而生。该机在对苏飞越战略侦察任务中收获颇丰，获取了大量情报，但整个侦察行动在1960年随着一架U-2被击落、飞行员被生俘戛然而止。但是这次事件只是U-2职业生涯的开始，经过持续不断的现代化升级，U-2至今仍是一种重要的现役侦察机。
20世纪50年代初，冷战已开启首个高峰模式，苏联氢弹在1953年8月的试验成功以及数种先进战略轰炸机的服役，将在很大程度上抵消美国的核大棒战略，为此美国急需一种先进侦察机来执行对苏战略侦察的高危任务。
1953年美国空军向贝尔、费尔柴尔德、马丁发出了新型高空侦察机招标，项目代号“秃鹰”。最后马丁提出的RB-57D赢得竞标，该机是B-57“堪培拉”轰炸机（英国电气“堪培拉”轰炸机的特许生产型）的加长翼展型，具有较低的成本优势。
洛克希德公司虽然被排除在这次竞标之外，但总工程师克拉伦斯·A“凯利”约翰逊觉得自己能拿出比竞争对手更好的东西。约翰逊和他的团队设计出CL-282高空侦察机方案，该机基本上是洛克希德F-104“星际战斗机”的加长翼展改型，拆除了所有不必要的东西，甚至包括起落架。CL-282能以925公里/小时的速度飞行在21340米高空，航程4800公里，一次飞行能拍摄320公里宽4000公里长的地面照片，清晰分辨出地面上每个人。
美国空军对约翰逊的自说自话并不感兴趣，却在1954年11月24日获得了中情局的青睐，因为该单位将主导日后对苏战略侦察。CL-282随后进入正式研制并获得“感光板”（AQUATONE）的保密代号。
距项目被正式批准后还不到一年，CL-282原型机就在1955年7月25日做好了交付准备。该机已经与最初方案大相径庭，全新设计的机身不再与F-104有太多相似之处。该机被赋予了U-2的正式编号，U通常是被分配给美军轻型通用飞机的前缀代码，被用于掩盖该机真正的侦察机身份。
U-2原型机在鲁姆湖干湖床展开试飞，此地位于内华达沙漠的偏远部分，官方名称“51区”。1955年7月29日，洛克希德试飞员托尼·莱维尔开始驾驶原型机进行滑行测试，巨大的机翼给测试造成很大困难，因为速度起来后U-2就想离地飞入空中，结果在第三次滑行测试中该机一下子跳到空中，顽固地不肯下降。莱维尔最终设法推杆降落，重触地导致前起落架爆胎。U-2的正式首飞发生在8月1日，莱维尔驾驶该机爬升到中等高度，飞机仍不愿想降落，好在吃了教训的莱维尔最后顺利降落。
U-2的试飞并不容易，因为该机在前所未有高度上飞机，很难操纵。在这种高速上，机上一些为普通飞机设计的系统工作效果不佳，并且U-2处于飞行包线危角部分，巡航速度非常接近失速速度。由于该机结构非常轻巧，俯冲之类的激烈机动会撕裂机身，所以飞行员必须以机鼻扬起的姿态缓缓降落。超长的机翼也导致U-2在起降中对侧风非常敏感，机翼产生的巨大升力使降落变得异常困难。从好的方面来说，正是这副机翼使U-2可以爬升到前所未有的高度飞行。
试飞中暴露的问题一一得到解决，到1956年底该机做好了量产准备，中情局订购了首批20架U-2A“蛟龙夫人”生产型，开创了这种高空侦察机的漫长服役史。
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