Les essais au sol progressèrent rapidement et, le 15 juin 1964, eut lieu un vol captif de vérification, avec le Major Bob Rushworth aux commandes. Dix jours plus tard, Rushworth effectua le vol inaugural (mission 2-32-55) du X-15A-2, poussant sans problème jusqu'à Mach 4,59, à 25 390 m. Le 14 août 1964, lors de son deuxième vol libre (mission 2-33-56), le X-15A-2 atteignit Mach 5,23, avec toujours Rushworth à bord. Cependant, alors que l'avion approchait Mach 4.5, à 26 820 m d'altitude, un incident faillit tourner à la catastrophe.

Une trappe du logement de train avant s'ouvrit inopinément, déséquilibra le véhicule et provoqua, selon Rushworth, une "effroyable détonation". Le pilote parvint néanmoins à contrôler le X-15A-2 mais, à l'atterrissage, les pneus du diabolo, gravement endommagés par réchauffement aérocinétique, explosèrent, et le X-15 continua sur les jantes !

Cet épisode spectaculaire valut à Bob Rushworth une autre Distinguished Flying Cross. La mission suivante, le 29 septembre 1964, fut illustrée encore une fois par un incident avec la porte du train avant et confirma la nécessité d'un contrôle. Quatre vols captifs, en novembre 1964 et février 1965 y furent consacrés.

Le 17 février 1965, le Major Rushworth effectua la mission "2-36-63" qui devait évaluer l'influence de la charge scientifique sur le comportement en vol du X-15A-2. Cette fois, le train avant ne provoqua aucun problème mais, alors que l'avion volait à 4 600 km/h et 27 000 m d'altitude, le train d'atterrissage droit se déploya soudain. Le train principal fut vérifié à l'occasion du vol suivant, le 28 avril 1965, avec John Mc Kay (mission 2-37-64). Au cours de cette mission, un suiveur stellaire, installé dans la soute à équipements et comportant quatre caméras de 35 mm pour photographier le rayonnement ultraviolet des constellations, fut essayé avec succès.

Les prises de vue commencèrent le 8 juillet 1965 (mission 2-40-72), lors d'un vol jusqu'à 64 800 m, et concernèrent l'étoile Gamma-Cassiopée (la troisième, en magnitude, de la constellation " Cassiopée "). Par la suite et jusqu'en août 1966, le X-15A-2 photographia ainsi d'autres étoiles dans des constellations diverses. Le 18 mai 1965, Mc Kay effectua le premier vol (mission 2-38-66) du X-15A-2 dépourvu de la partie détachable de la dérive ventrale ; d'autres vols suivirent dans la même configuration, sans histoire.

Le premier vol (mission 2-43-75) du X-15A-2 équipé, pour la première fois, de ses réservoirs externes (vides), intervint le 3 novembre 1965, avec le Lt-Col Rushworth dans le cockpit. Largué à la verticale de Cuddeback, le véhicule atteignit Mach 2,31 et 21 520 mètre avant l'éjection des réservoirs. La manoeuvre se déroula convenablement mais, par suite d'une défaillance du parachute, le réservoir de combustible s'écrasa dans le désert. L'étape suivante, avec réservoirs externes pleins, ne fut franchie que le 1^er juillet 1966 (mission 2-45-81), avec toujours Bob Rushworth aux commandes. La séquence initiale se déroula correctement, avec un allumage du moteur 1,2 seconde après séparation de l'avion-mère. Quelques secondes plus tard, le centre de contrôle au sol, sur la foi des mesures transmises, avertit Rushworth d'un problème de transfert de propergols.

Aussitôt, le pilote réduisit la poussée et, 29,5 secondes après le démarrage de la phase propulsée, éjecta les deux réservoirs externes. Cinq secondes après, il coupait le XLR-99 avant de vidanger ses réservoirs internes et d'atterrir sans encombre sur la plate-forme la plus proche, à Mud Lake. C'est sur cet atterrissage d'urgence, le deuxième de l'année 1966, que Bob Rushworth quitta les opérations X-15 et Edwards. Ce milieu de 1966 était décidément la fin d'une époque pour le programme X-15.

Le 8 juin 1966, un mois avant le départ de Rushworth pour le National War Collège, Edwards avait pleuré la mort de Joe Walker dans un accident de F-104 (lors du crash du XB-70 Walkyrie). Le 8 septembre 1966, John B. Mc Kay, le dernier vétéran du premier groupe des pilotes sélectionnés en 1958, quitta le programme à son tour, pour raisons de santé. Mais l'aventure des essais X-15 continuait, avec la même éthique, incarnée par de nouveaux héros. L'un d'entre eux était le Major William J. "Pete" Knight (USAF).

Le chevalier Knight

Le Major Knight qui succédait à Rushworth, avait été choisi pour poursuivre le programme d'essais en vol du X-15A-2 à grande vitesse. Il avait accomplit son premier vol à bord du X-15 en septembre 1965 (mission 1-60-99), mais c'est seulement le 21 juillet 1966 qu'il effectua sa première mission (2-46-83)de prise en mains à bord du X-15-A2.

Trois autres vols suivirent, en août 1966, au cours desquels il réalisa différents essais et expériences (photos dans le spectre UV, tests de matériaux pour le "manteau", étude des conditions d'échauffement aérodynamique, étude de traînée, évaluation de stabilité et de contrôle, etc).