U-2从1956年6月开始对苏联进行侦察。屡次遭到苏联防空军的MiG-19P等战斗机迎击。不过,能对U-2产生威胁的战斗机并不存在。在1960年5月1日在苏联领空由CIA所属的U-2侦察机侦察时,苏联S-75地对空导弹进行了迎击,U-2被击落。飞行员加里-鲍尔斯逃生并被苏联俘虏作公开审判,以间谍罪起诉。美国以
KGB特工佐鲁道夫-阿贝尔做交换。
关于这架飞机之所以被击落产生出一系列谣传,最有名的是因为这架飞机被苏联的特工在仪表盘上做了手脚,飞行的高度未达到2.5万米,但仪表盘却显示达到飞行的高度已达2.5万米。最终被苏联的
S-75防空导弹击落。
1954年4月出台新型高空侦察机研制可行性报告,1954年11月24日报告批准并研究开发。 1955年8月4日001号原型机试验首飞,打破由
英国人保持的22707米升限的世界记录。
1956年5月首批4架U-2侦察机开始服役,1956年7月2日开始做侦察任务。
1956年7月4日(
美国独立日),飞越苏联领空,7月5日对
莫斯科进行侦察。
1960年5月1日在苏联首次被击落,并使U-2飞机公布于世。
1958年3月开始对中国进行侦察,1962年9月9日被击落首架,有资料显示在中国共计损失五架。
U-2侦察机1962年10月14日对古巴进行侦察飞行发现了苏联军的导弹发射基地的建设,
古巴导弹危机美苏十三天对抗,以一架U-2的击毁结束,算得上黑色具有幽默味道。
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U-2侦察机的改进型 U-2R新开发后为TR-1侦察机。U-2R飞机曾参加了1991年的
海湾战争,被用作战术侦察机。
2002年4月U-2进一步改进并开始无人驾驶改装。
2005年6月22日,美国空军一架U-2侦察机在返回位于
阿拉伯联合酋长国的基地途中在该国坠毁,造成飞行员死亡。
2005年8月,完成了美海军通信数据链系统(CDLS)的关键改装测试,增强战场数据传递能力。
2006年6月,改进型号U-2S"
龙女"(Dragon Lady)高空侦察机飞抵
韩国乌山空军基地。
2007年3月,有表明至少有3架U-2飞机发现了漏油问题,美国空军停飞了全球范围的U-2侦察机,做集体维修。
U-2已在美国空军中服役超过50年,驾驶该机被认为是一种荣耀,但美空军飞行员认为它是美军所有飞机中着陆最困难的一种,从1955年至今,U-2飞行员的总数未超过850名。