En septembre 1961, deux missions, effectuées respectivement par Walker et Petersen sur le X-15 n° 2, avaient soumis le véhicule à des charges thermiques de plus en plus élevées en prévision notamment des futurs vols d'altitude associés à des rentrées de plus en plus chaudes.

La mission 2-18-34, effectuée le 12 septembre, valida l'efficacité des modifications apportées au bord d'attaque de l'aile lors d'un vol "à haute température" (454°C) au cours duquel Joe Walker établit un nouveau record de vitesse éphémère à 5821 km/h...

Le 28 septembre (mission 2-19-35), Petersen effectua un vol "chaud" à basse altitude, pendant lequel la structure du X-15 devait supporter une température supérieure à 600°C. Largué par le NB-52 à la verticale d'Hidden Hills, Il mit la pleine puissance ouvrit les aérofreins, et monta à 45°.

"A 16 300 m, je devais basculer à zéro g, se souvient le pilote, ce qui devait m'amener à un rétablissement en palier autour de 22 860 m. Je devais alors accélérer jusqu'à Mach 6. A ce moment-là, ce n'était plus le moment de rêver. Presque simultanément, je devais réduire la poussée à 50 %, engager un virage à 3,5 g avec 16° d'incidence, et garder constantes vitesse, altitude et incidence.

Si j'avais fait cela de façon idéale, nous aurions pu espérer obtenir 12 à 13 s d'enregistrement de données thermodynamiques. Nos ingénieurs attendaient ces données avec beaucoup d'impatience car elles devaient permettre de confirmer ou d'abandon des théories échafaudées sans appui expérimental. Hélas, je ne parvins pas à la perfection voulue Au lieu de rétablir à 22 860 m, je me mis en palier aux alentours de 25 000 m ; au lieu d'atteindre Mach 6, j'allai jusqu'à Mach 5,3. Au bon du compte, je ne récoltai même pas 10 secondes de données utilisables et j'étais plutôt déçu. Mais les ingénieurs se dirent épatés et me recommandèrent pour la Distinguished Flying Cross".

Pendant ce vol la température maximale enregistrée sur les aérofreins fut de 565°C ; on ne releva aucun dommage. C'est donc avec une confiance renouvelée que la NASA se lança, à partir d'octobre 1961, à l'assaut des performances maximales prévues : Mach 6 et 76 200 m.