Le 3 octobre 1967 (mission 3-53-97), le X-15A-2, entièrement revêtu d'une couche rafraîchie de MA-25S (sauf la "Q-Ball" du nez), flanqué de ses réservoirs externes, équipé de sa paupière et emportant la maquette du statoréacteur, fut monté sous l'allé de l'avion-mère NB-52.

A bord de l'avion expérimental, "Pete" Knight était trop absorbé par sa check-list pour comprendre qu'il entrait dans la légende derrière Chuck Yeager, Pete Everest, Iven Kincheloe ou, plus récemment, Bob White. A la verticale de Mud Lake, le largage intervint et le X-15A-2 grimpa aussitôt, à pleine puissance, à l'incidence de 15°. L'angle de montée fut ensuite maintenu constant jusqu'à l'altitude de basculement.

Un peu plus d'une minute après l'allumage, Knight atteignit Mach 2 et 21 340 m, paramètres du largage des réservoirs externes désormais vides et inutiles. Le X-15A-2 continuait à grimper. A 30 175 m, le pilote rétablit en palier et continua d'accélérer jusqu'à l'extinction du XLR-99 après 141,4 secondes de fonctionnement. La vitesse à cet instant était de 7273 km/h soit Mach 6,70.

Mach 7 ne fut pas atteint mais la performance n'en demeurait pas moins historique ; il faudra attendre avril 1981, 14 ans, pour qu'un autre aéronef, baptisé Columbia (la Navette), améliore ce record ! Conformément au plan de vol, le pilote procéda à des manoeuvres de contrôle, juste au sortir de la phase propulsée. Il pensait que tout se déroulait pour le mieux. En fait, vue de l'extérieur, la situation était préoccupante : lorsque les pilotes d'accompagnement purent rejoindre le X-15, ils eurent du mal à le reconnaître : "On aurait dit un morceau de bois carbonisé !"

La maquette du statoréacteur avait presque disparu, littéralement découpée par réchauffement aérocinétique. L'examen au sol révéla une déchirure impressionnante de 18 cm sur 8 cm sur le bord d'attaque de la dérive ventrale, et des dégâts importants dus à la chaleur à l'arrière des tunnels latéraux de fuselage. Le MA-25S avait joué son rôle, mais il s'était vitrifié ! Finalement, le séduisant " manteau " s'avérait inadapté.

Les conditions complexes d'écoulement hypersonique, au voisinage du plastron, avaient occasionné des points chauds à 1650 °C, largement supérieurs aux maxima envisagés. La chaleur s'était ensuite propagée vers l'arrière du fuselage, provoquant d'autres dommages, empêchant, notamment, la vidange complète des réservoirs. Heureusement, le système des commandes de vol n'avaient pas été touché, et si le X-15A-2 dut se poser en surcharge de 680 kg (à cause du reste de propergols dans les réservoirs), l'atterrissage fut normal.

Le démon hypersonique avait frappé ; les ingénieurs et scientifiques de la NASA avaient reçu une grande leçon d'humilité. "Si nous avions eu la moindre crainte de voir revenir l'avion dans cet état, nous n'aurions jamais entrepris cette mission !" confia un responsable de la NASA.

Les problèmes liés au vol hypersonique étaient, même en cette fin du programme X-15, à peine connus, il faudrait encore des années d'analyses pour mieux les comprendre et les maîtriser ! Telle était la conclusion de cette mission, qui valut au Major Knight de nombreux honneurs, dont l'Octave Chanute Award 1968 et surtout le prestigieux Harmon Trophy 1968. Quant à l'avion, sa carrière se termina prématurément

Le travail de remise en état était trop important et le X-15A-2 avait, à l'évidence, largement atteint ses limites. La NASA restitua l'avion à son propriétaire, l'Air Force. Après remise en état chez North American/Rockwell, le X-15A-2 revint à Edwards en juin 1966 puis, le 26 octobre 1969, l'USAF le transféra définitivement à son musée de Dayton (Ohio).