U-2“蛟龙夫人”（英文：U-2 Dragon Lady）是由美国洛克希德·马丁公司臭鼬工厂在20世纪50年代研发的一种单座、单引擎、高空或临近空间侦察和监视飞机，可提供信号、图像、电子测量和信号等各种形式的情报。U-2能提供高空、全天候昼夜的监视和侦察，为美国和盟国的决策者应对冲突提供关键图像和信号情报，包括和平时期的指示和警告、低强度冲突和大规模敌对行动。

从20 世纪 40 年代末，美国海军和空军开始尝试对苏联进行空中侦察。而到了50年代初，苏联开始屡屡击落美国军队的侦察机，迫使美国研制更先进的高空侦察平台。1954年11月26日，中情局“水音计划”（Project Aquatone）启动，U-2研发正式开始。为了达到减重并多搭载燃料的目的，凯利·约翰逊在U-2的设计中借鉴了滑翔机的设计理念。在1965年，约翰逊重新设计一个新U-2R型侦察机，改善了整体的飞行特性。

U-2自1956年开始服役。原型机于 1955 年试飞，该系列的最后一架飞机于1989 年建造。U-2侦察机一开始被中央情报局(CIA) 和美国空军(USAF) 用于监测电子辐射、对高层大气进行采样以获取核武器试验的证据，经常深入苏联、中国等国领土深处进行拍摄。1960年5月1日，一架U-2在苏联上空被击落。1962年一架 U-2 拍摄的照片证实了苏联在古巴部署了核武器导弹，导致古巴导弹危机。1962年9月至1967年9，中国大陆总共击落5架U-2飞机。

现在最新型号的U-2S侦察机，可以在陆海空天多个领域的所有战术、作战和战略级别上同时安全地进行通信。U-2S能够通过卫星传输数据。通过加装开放任务系统兼容的航空电子套件，U-2S可以和海上和各种无人机系统进行情报共享。U-2S可以为PAC-3等地面火力提供实时情报信息。通过Link-16数据链，U-2S可以和美国军队所有四代主力战机进行通讯。U-2S还能够接入F-22的飞行平台间数据链（IFDL）和F-35战斗机的多功能先进数据链（MADL），和美军的五代机进行双向信息共享。2021 年，美国空军宣布打算在 2026 年之前让 U-2 退役，将用RQ-480等隐身穿透性高空长航时无人驾驶飞机代替。

在美苏冷战开始后，如何透过铁幕来搜集苏联内部的军事情报，就成为美国一项重要的战略性举动。由于东西方的严重军事对峙和封锁，传统的间谍、电报、电话、无线电通讯等传递情报的手段难度越来越大。美国通过从德国缴获了大量有关德国空军航拍的苏联照片，虽然这些资料很快就失去了时效性，但让美国发现高空航拍成为秘密获取苏联内部信息的有效办法。

从20 世纪 40 年代末，美国海军和空军开始尝试对苏联进行空中侦察。他们在B-47中型轰炸机上安装了照相机和电子侦察设备，用这种改装的RB-47收集苏联的雷达信号，拍摄敏感军事目标。有时候RB-47能深入到苏联境内700公里实施侦察。而到了50年代初，苏联开始屡屡击落美国军队的侦察机，迫使美国研制更先进的高空侦察平台。

美国首先提出高空照相侦察概念的是一位退役空军指挥官理查德·莱霍恩（RICHARD LEGHORN），在战后他进入柯达公司工作。他首先提出了“开放天空”的概念，就是让美苏互相空中侦察避免核大战发生。当时这一理念无法实行，但是美国空军却对莱霍恩的思路很赞赏，最后征召其返回现役任命为莱特航空发展中心 (WADC)侦察系统分部的负责人。莱霍恩明确表示美国要开发先进高空侦察机来刺探苏联内部信息，未来还将使用包括卫星侦察等各种手段。此外莱霍恩在在1957年成立“Itek”公司，该公司研制的各种侦察相机，直接应用于后来的U-2侦察机。因此理查德·莱霍恩曾被认为是U-2发展的重要人物。

1953年1月，美国空军开始寻求更专业的高空侦察平台。当时空军并不想找洛克希德、波音公司和康维尔等知名飞机制造商，而专注于马丁公司、贝尔飞机公司和费柴尔德公司，原因是这些小公司会更重视军方的订单。当时军方的项目名称为“秃鹰”（Bald Eagle），要求飞机性能指标为亚音速，作战半径超过3000公里，能达到2.1万米的高度，能携带1名飞行员和最大317公斤的载荷。上述三家公司中，马丁公司的风险最小，很快就研制了RB-57D侦察机并装备，费尔柴尔德公司的设计没有显著的吸引力，反响最好的是贝尔飞机公司研制的“X-16”的设计。贝尔公司已经在1954年获得了合同，但是结果该设计却被最终被洛克希德干扰最后被取消。

早在1953年空军开始寻求高空侦察平台的时候，美军国防部就有人通知洛克希德·马丁公司的设计师凯利·约翰逊。约翰逊还拿到了项目的招标书，并马上按照军方的要求以F-104战斗机为基础设计了1种能达到2.2万米以上的概念型侦察机——CL-282，并指派洛克希德公司的一些工程师协助进行快速攻关。为了减重让飞机达到高空飞行的性能。约翰逊采取了各种手段，包括降低飞机结构强度、取消起落架、使用更薄的铝材，甚至取消了飞行员的弹射座椅。此外约翰逊还设计了一种新的高展弦比翼型，来实现飞机在高空飞行的最小面积和展弦比。

在1954年3月，约翰逊将他的CL-282设计研究提交给五角大楼。但空军总部拒绝了洛克希德的提议，因为该机只有一个发动机，而他们已经致力于马丁公司的项目。但是空军研究与发展助理部长特雷弗·加德纳对该型飞机印象深刻，还推荐给了中央情报局的首席情报分析员菲利普·斯特朗。一些专业航空人士也支持CL-282设计，并向空军解释单发飞机更轻，能飞更高而且更可靠，但空军仍然拒绝投资。最后的结果是艾森豪威尔总统直接介入，将战略侦察的任务转而由中央情报局控制，批准了CL-282的研发。此外CL-282最大的优势是承诺在1955年8月首飞，最后空军不得不让步支持CL-282项目。至此U-2侦察机才进入研制阶段。

在1954年11月26日，时任中情局局长艾伦·杜勒斯将他的特别助理理查德·比塞尔指派负责CL-282的开发工作，该项目被指定为“水音计划”（Project Aquatone）。为了给项目保密，将一些原本为B-52、KC-135、F-100和RB-57使用的J57发动机被转用于CL-282研发。凯利·约翰逊承诺，可在8个月内交付第一架飞机，但原始设计已经发生重大变化。最终的配置是根据原始的CL-282进行了放大，并且加入了起落架。尖锐的机头被改为钝化，T型尾翼被更传统的布局所取代。这个新设计最终被赋予“U-2”这样一个具有欺骗性的名称，看上去更像是一种普通的通用飞机。

1954年12月初，约翰逊开始组建一支由工程师和制造人员组成的团队。他指派迪克·博伊姆担任项目工程师和主管，一起他们选择了多达24名工程师进行专业设计工作，分别负责空气动力学计算，飞机轮廓设计应力计算、载荷计算、机翼结构设计、尾翼设计、机身设计、燃油系统、驾驶舱、起落架、液压系统、侦察系统、空调系统、动力系统等。另外还有专家负责设计地勤系统和编写技术手册。

性能和有效载荷是U-2设计的关键。因为与原始的CL-282相比，U-2的重量增加了，因此设计团队必须尽一切减轻机体和设备重量。最终U-2设计于1955年1月定稿。机身主要采用铝合金制造，是满足结构强度要求的最薄规格，厚度仅为0.5毫米至1.6毫米。结构加强只包括最少数量的肋骨、纵梁和加强板。所有蒙皮都采用凹凸铆接，所有气动控制面都由钢索操作，液压系统被简化，并且主要飞行控制部件均不带液压机械助力。约翰逊花了两天时间设计了轻量级起落架，采用了自行车式布局，主起落架为双轮，还有小尾轮，都位于中心线上。最终，即使在加装降落伞、增加300%的氧气供应能力、改进刹车和自动驾驶系统的情况下，最终的起飞总重量与最初的提案只相差不到4.5公斤。

1955年7月份，首架341号样机组装完成准备试飞。7月25日抵达拉斯维加斯以北一个被用作测试场地的干湖床。此时距离洛克希德·马丁公司获得合同批准不到8个月的时间。在8月份的两次滑行试验中，试飞员莱维尔发现飞机的刹车系统存在过热和效能低的问题。1955年8月4日，试飞员莱维尔驾驶341号样机成功首飞，最高高度达到2400米，总共飞行15分钟后成功着陆，而且证明了约翰逊的主起落架先着地的说法是错误的，最好是尾轮与主起落架同时或稍微早于主起落架接地时着陆。8月8日约翰逊安排了一次“官方试飞”，邀请中情局、空军和洛克希德公司的高层参观。尽管这次试飞着陆时发生了左翼翼尖撞击地面的事故，但约翰逊仍宣布8个月内完成了任务，U-2研发成功。

由于U-2A型飞机很难操纵时常在试飞中发生坠毁事故，再加上被地空导弹不断击落，因此到1963年，原来中情局和空军拥有的55架U-2A飞机已经损失超过一半。为此约翰逊指派了一个团队研发了一种命名为U-2L的改进型号，主要是将机身增加了1.5米以增加更多的设备，但是遭到了官方的拒绝。在1965年，普惠公司研发了新的J75-P-13B发动机，海平面推力达到7700公斤。约翰逊以此为契机，坚持要求完全重新设计一个新U-2R型侦察机。原始的U-2机翼展长24.3米，翼面积为55.7平方米。相比之下，U-2R的翼展增至31.3米，翼面积达到92.9平方米，升阻比达到27:1，增大的油箱容量，足够让飞机连续飞行15个小时，最高飞行高度可以超过22500米。1967年8月28日，051号U-2R侦察机原型机完成首飞，更大的操纵面和更高的临界马赫显著改善了整体的飞行特性。1994年，美国对拥有的所有U-2R型侦察机进行了技术升级，主要是换装新的通用电气F118-GE-101非加力涡轮风扇发动机，改装后的U-2R都被重新命名为U-2S。目前美国所有的U-2侦察机均为U-2S型号。

U-2采取的是洛克希德“臭工厂”的研发模式，约翰逊规定U-2飞机的工程师和绘图员离装配车间的距离不超过15米，任何建造上的困难和问题可以立刻得到设计人员的支援，使得问题可以在几小时内就能得到解决。

为了保密，U-2飞机的生产采取了一系列的措施。U-2制造车间被隔离在洛克希德加利福尼亚州伯班克工厂的一个偏僻角落。由于该地的生产设施有限，后来又在贝克斯菲尔德附近的奥尔代尔建立了第二个制造工厂。出于保密，正常的采购分包程序无法实现。物资采购必须把图纸和订单的某系敏感信息删除。交付货物则通过各个不引人注目的地点进行路线安排。付款的账号也是和正常的洛克希德·马丁公司渠道分开的特殊账户。为了处理与外部供应商的交易，洛克希德还设立了虚假的公司名称。

洛克希德还把U-2生产制造环节，尽可能压缩到一个车间中。金属部件在夜间和星期天通过公司的机床进行加工，然后隐藏起来，以防一般的白班员工看到。在前50架飞机的生产期间，伯班克和奥尔代尔两个工厂仅有600人参与。设计师和制造人员在工程图纸和程序方面采用了非常规的方法。如果一个零件必须送到外部机器加工厂，随附的图纸会删除任何透露飞机配置的信息。人员只能获取完成工作所需的最低信息。甚至一些基层工人只知道他们正在制造一架飞机，但他们对其配置或任务一无所知。但是工人们仍被告知不要告诉任何人甚至是家人，他们在做什么。根据约翰逊的指示，任何文件或蓝图都不会标记为机密，以免在落入他人手中时引起注意。

洛克希德第一批建造了55架U-2A以及各型衍生型号，其中包括1架341号原型机，48架量产飞机（编号56-6675到7622），还有6架用作配件的飞机（编号56-6950到6955）。U-2R型飞机的生产从1967年开始，每月生产1架。洛克希德公司总共生产了12架飞机（编号68-10329到10340）。1979年，洛克希德再度重启U-2生产线，总共生产了37架改进型的U-2R侦察机，也被称为TR-1型，编号从80-1063到80-1099。战术侦察型 TR-1A于1981年8月首飞，在结构上与 U-2R 相同。最后一架U-2飞机于1989年10月交付；1992 年所有TR-1和U-2都被命名为U-2R。1994年，美国对拥有的所有U-2R型侦察机进行了技术升级，都被重新命名为U-2S。

在首批飞行员完成转型后，中央情报局第一支飞行中队于1956年4月组建，名义是美国航空航天局使用的气象研究飞机，编号为第1天气侦察中队（WRSP-1）。到了1958年第三支部队在日本厚木成立。中情局U-2的部署地点遍布全球，包括巴基斯坦、德国、挪威、土耳其等国。U-2除了刺探苏联的情报之外，也对英法国家舰队以及埃及等中东国家进行密切监视。1974年中央情报局的所有U-2飞机全部转让给美国空军。

1958年在中央情报局的协调下，中国台湾空军选派6名飞行员赴美接受U-2侦察机飞行训练。1960年11月，台空军成立装备U-2侦察机的第35中队。所有行动的航路和目标的决定及起飞时间，都由美方拟订，然后密电指挥室请示台湾当局同意后，派遣飞行员执行任务。在上世纪70年代，台湾的U-2已经终止活动。直到1975年，U-2飞机才正式离开台湾返美。

1957年6月，美国空军的4028战略侦察机中队也开始接收U-2侦察机。1957年9月，美国空军总共有5架U-2A，全部被分配到高空采样计划（HASP）项目中。在接下来的几年里，4028中队的飞机定期在全球范围内部署，包括波多黎各开始、阿根廷、阿拉斯加州、夏威夷王国、关岛、冲绳县、巴拿马共和国和澳大利亚。在接收中央情报局的U-2侦察机后，美国空军在20世纪70年代末组建了第99战略侦察机中队来执行侦察任务。

目前美国军队所有的U-2S“蛟龙夫人”侦察机，全都隶属于加利福尼亚州比尔空军基地的第9侦察机联队，但是会轮换到世界各地执行侦察任务。目前美国空军总共有33架U-2S侦察机，其中包括5架双座教练机，还有2架ER-2供美国美国航空航天局使用。美国空军计划在2026年将全部U-2S侦察机退役。

1971年4月2日，美国国家航空航天局（NASA）收到两架 U-2C飞机用于高空研究。这些是第一批实际由NASA 操作的U-2飞机。美国NASA在1981年和1989年购买了2架U-2改装的ER-2，取代了1971 年以来用于收集科学数据的两架洛克希德·马丁公司U-2C飞机。ER-2主要用于大气实验、卫星传感器开发与仿真、调查全球变暖和臭氧消耗等研究。

为了达到减重并多搭载燃料的目的，凯利·约翰逊在U-2的设计中借鉴了滑翔机的设计理念。

机身：机身主要采用铝合金制造，是满足结构强度要求的最薄规格，厚度仅为0.5毫米至1.6毫米。结构加强只包括最少数量的肋骨、纵梁和加强板。所有蒙皮都采用凹凸铆接，所有气动控制面都由钢索操作，液压系统被简化，并且主要飞行控制部件均不带液压机械助力。机身内部简洁而整洁。主起落架前方有一个气压舱，称为Q舱，装有侦察设备。Q舱还有一套专门的安装和卸载货物的系统，通过Q舱底部的托盘来更换设备，同时Q舱顶部还有第二个舱口用于维护。由于Q舱主要是非承力空间，只有中部机身的翼桁支撑驾驶舱和前部区域。飞机的尾部组件是作为一个整体建造的，包括后部机身、带舵的垂直尾翼和两个水平安定翼。为了便于组装，整个装配只使用了三个拉力螺栓连接到前部机身。

机翼：U-2的机翼是高展弦比和低阻力比的结合，也就是机翼又长、又窄、又薄。升阻比为25.6:1，优于许多滑翔机。从2.1万米的高度，U-2可以滑行约480公里。常规喷气战斗机其机翼的翼梁直接穿过机身，但是凯利·约翰逊借鉴了滑翔机的设计，直接把机翼通过拉紧螺栓连接到机身两侧，这样既能改善飞机重心还能减轻重量。U-2的机翼采用了三个桁架结构，每个机翼上都有两个防泄漏舱燃油箱，总共可携带1335加仑的燃油，后来还增加了两个外挂副油箱。U-2这种特殊的机翼，意味着结构很脆弱。特别是在1万米以下可能会被阵风冲击而解体。因此凯利·约翰逊设计了一种特殊的“阵风控制”系统，允许襟翼向上倾斜4度，副翼向上倾斜10度，通过完全改变翼型特性来减少湍流条件下的尾部载荷和机翼弯曲。但是U-2仍然是一架非常脆弱的飞机，需要飞行员的技巧和精神高度集中驾驶。

起落架：U-2的起落架总重仅为116公斤。相比之下，同类飞机上的常规三轮起落架通常重约340公斤。而U-2利用节省的空间来增加燃料容量。这种对重量和空间考虑的工程设计使得U-2的高度能力增加了额外的450米，巡航半径增加了额外180公里。为了在起飞时保持横向平衡，机翼尖端配备了一种被称为"pogo"的小型橡胶车轮，一旦飞机起飞，这些车轮就会自动离开。飞机着陆时通过机翼尖端的滑板来保护翼型不受损。

机身：机身结构采用半壳体结构，使用高强度铝合金材料、耐腐蚀钢和钛合金。机身分为三个部分：前部、中部和尾部。整个前部位于机身包含特殊侦察和电子对抗设备。标准前部的内部容积为47立方英尺，长度为86英尺，直径为37英尺，可容纳重达600磅的有效载荷。中部包含驾驶舱、A区和E区。A区安装主要飞机侦察照相设备，宽度为41英尺，深度为55英尺，长度为67英尺，可以容纳重达750磅的有效载荷。E区是电子设备舱。尾部机身可以从中部分离，并包含发动机尾喷管、发动机排气和机身气流增压器、后起落架、减速板、用于电子对抗设备的加压舱以及尾翼。

机翼：悬臂式全金属机翼基本上采用类似U-2A的设计。每个机翼包括一个副翼、一个伺服操作的修正舵翼、一个机翼内侧升力扰流板（内侧），一个机翼外侧滚转辅助扰流板，一个机翼襟翼系统，每个机翼前缘中间位置安装有一个失速条，当飞行员命令时展开，能破坏低速时机翼中部的升力，从而便于着陆。机翼副翼控制装置包括一个设备，可以使两个副翼的中性点向上偏移约7.5度，以适应阵风条件。副翼接在机翼上表面，并由传统的钢索系统操作。副翼的制造材料是高强度铝合金。机翼襟翼的构造材料包括7075T6铝合金。U-2R在使用一些大型吊舱的时候，会使用一种分割式襟翼。机翼的三根主要翼梁安装在翼的15%、40%和65%翼弦位置。翼板的上下表面采用整体加强的蒙皮结构，由翼梁之间的形板支撑。在机翼结构中使用高强度铝合金材料。几乎整个机翼的内部空间由两个单独的整体燃油箱（内燃油箱和外燃油箱）组成。

阻拦钩：为了使U-2R飞机能够在航空母舰上进行着陆，飞机的结构中设置了一个阻拦钩的装置。整个阻拦装置套件包括上锁吊钩执行器、拦阻齿轮挂钩和液体弹簧、尾部齿轮电缆偏转器、刹车齿轮整流罩、驾驶舱控制开关、挂钩下行信号仪面板灯和相关电路。另外襟翼限制开关凸轮也要改装，允许将襟翼的最大行程从35°增加到50°。高压液压弹簧作为减振装置，控制着钩子的下降速度并克服钩子的反弹。该弹簧包含了特殊的高压液体。通过拉动杆，压缩液体产生了一个1,400磅限制力，以减缓钩子的反弹速度。

U-2A有4种侦察用照相机：A-1型、A-2型、B型和C型。A-1型是哈佛大学光学镜头专家詹姆斯·G·贝克为了U-2飞机8个月的研发时间，用24寸焦距的K-38航空照相机改装完成的。贝克对原有的镜头进行了调整以提高分辨率，并将其重量减轻到450磅。Perkin-Elmer公司开发的特殊摇摆式支架是减小A-1系统的尺寸和重量的一个主要因素，因为这个支架用单一的镜头提供了广泛的横向覆盖，而不需要两个独立相机。相比A-1，A-2型是贝克利用光线追踪技术研发的全新型号照相系统。A-2型为3镜头系统，一个拍摄右斜视图，一个拍摄垂直视图，第三个拍摄左斜视图。所有摄像机都配备了贝克设计新的24英寸焦距f/8.0的镜头，它们采用非球面造型分辨率每毫米60线，是现有镜头的2.4倍。B型相机是由威廉·麦克法登设计的一个复杂的三镜头侦察系统，是一种高分辨率的全景式构图相机，使用贝克新设计的36英寸焦距f/10.0非球面镜头，分辨率达到每毫米100线，通过7个窗口能够拍摄3500公里航线上宽达 200 公里的地区，可以拍摄4000幅立体影像照片。1954年贝克又设计了一种搭配180英寸焦距f/13.85的反射式照相镜头的C型相机，使用新型轻质泡沫硅材料制作镜头。但是由于焦距过长，C型相机对飞机震动异常敏感，因此拍照结果并不能令人满意。在1958年9月之后，A-1型、A-2型相机被淘汰，C型相机设计不成功，B型相机是空中侦察的主力。

后续U-2R则使用了大量不同类型的光学和雷达的侦察传感器以及电磁信号侦察设备。例如1965年H型相机研发成功，这是一种焦距相当于66英寸的折叠光学系统相机，这是一种在极高高度和接近200公里斜距的情况下使用而优化的长距离斜视摄影系统。后期Itek公司开发的KA-102A相机也是类似的系统。此外还有Vinten和IIS型多光谱相机系统、用于制图的RC-10度量相机、用于在同一飞行路径上提供大范围覆盖和小范围、大比例尺覆盖的A-3、A-4相机系统、用于高分辨率全景拍摄的Itek光学条形相机系统。后期U-2R开始使用焦平面阵列的数字照相机进行拍摄，其优势是可以通过数据链路无线传输，在几秒钟内就能将拍摄到的图片传输到用户手上，但是缺点是在上世纪80年代数字电路的分辨率仍然无法达到胶片的水平，不过对设备、人员驻地、建筑物、导弹发射井和设备、飞机、船只、潜艇等物品的大部分关键评估来说是足够的。有些照相装置能够同时获取胶片和数字图像。U-2R还能安装“联合侦察目标攻击雷达系统”（J-Stars），通过合成孔径雷达探测、跟踪和瞄准静止或缓慢移动的地面目标。U-2R还有电子信号侦察设备，能够收集从微波雷达信号到VLF波长的各种电磁频谱信息。

U-2A安装有一种被称为“12号系统”（System-XII）的地对空导弹警告装置。这些装置可以警告飞行员，他们的飞机正在被萨姆-2防空导弹系统中的SNR-75“扇歌”目标获取雷达跟踪。“12号系统”装置还能记录了每个雷达跟踪序列，对这些记录的分析能揭示“扇歌”雷达的特征变化。这种电子对抗装置（ECM）实际使用很有效果。美军的U-2A拥有完整的电子对抗套件，除了“12号系统”之外，还有能告知飞行员导弹已经发射的“Oscar-Sierra”告警装置和能够向接近导弹上的导引头产生虚假信号的“13号系统”（System-XIII）。一开始美国军队不愿意在台军使用的U-2A侦察机上安装完整的电子对抗套件，特别是“13号系统”，担心先进的行波管（TWT）技术会落入中国大陆之手。最终在1964年美方终于同意台军的U-2A也安装13号系统，并准备在10月进行飞行，但是由于中国大陆在10月16日引爆第一颗原子弹，任务被取消。

U-2R机翼挂架主要用于携带特殊的电子情报收集和电子战系统，美方没有公开过它们的尺寸、用途或内容的信息。

U-2在原型机研发阶段就装备当时先进的航电系统，包括被称为“系统1号”（System I）的雷达侦测和记录系统用，被称为“系统2号”（System II）先进高频导航和通讯系统，被称为“系统3号”（System III）号的VHF无线电传输记录系统以及AN/PAQ-56雷达测绘系统。

U-2R的UHF无线电通信由AN/ARC-51X或AN/ARC-109无线电设备提供。UHF系统提供了双向的空对空和空对地通信，还集成了KY-28安全语音通信系统。用户可以选择安装VHF无线电通信系统，以便与具备兼容VHF设备的空中或地面站进行双向通信。HF无线电通信由718U-7无线电设备提供。HF通信系统在高频范围内提供远程的双向通信。内部记录系统由AN/AIC-10内部电话放大器组成。提供控制开关以记录飞行员的语音和/或所有无线电通信。机鼻部安装了两个28通道录音机，用于自动记录特定的飞行器和任务设备信号。飞行参考系统（FRS）是一种远程指示陀螺稳定系统，设计用于各个纬度，在飞机航向和高度数据方面发挥作用。LN-33惯性导航系统为可选择安装设备。该惯导系统是一种导航和姿态航向参考系统，在任何类型的飞行机动、地球上的任何位置以及任何天气条件下提供精确的信息。姿态和导航数据将根据需要提供给飞行指引仪、自动驾驶仪、TACAN、ADI和HSI等设备。但是安装该设备时，必须将FRS系统卸下。导航无线电设备包括AN/ARN-52 TACAN。该系统可在视线范围内的任何选定地面（信标）站提供飞机的方位和距离的连续指示，最大距离可达300海里。IFF系统由914AX-1应答器组成，用于接收、检测、解码、编码和传输IFF Mark X（SIF）系统的信号。仪表着陆系统（ILS）利用姿态导引指示器（ADI）和水平态势指示器（HSI）进行读数，并提供了在恶劣天气条件下进行仪表进场所需的指示器和下滑道信息。自动驾驶仪是型号为L-201。它的伺服电机采用交流供电。U-2R还安装了一台Bendix型号的气压数据计算机，用于提供马赫和高度保持信号。气压数据计算机还提供指示空速、真空速、爬升率、高度报告和气温数据。

为了加快飞行测试进程，早期的U-2飞行采用了B-52轰炸机使用的4700公斤推力的普惠J57-P-37发动机。J57-P-37发动机存在一个严重问题就是在高空会发生多次熄火故障。为此普惠公司紧急在12个月内开发出了新的5200公斤推力的J57-P-31发动机。新的发动机具有16级压气机，燃油消耗量在海平面上为每小时4000公斤，巡航高度2万米时为每小时仅为317公斤。J57-P-31发动机设计用于在近2.2万米高空使用，避免了旧型号熄火的故障。U-2的燃油系统很复杂，飞行员必须一边飞行一边通过供油管路和阀门系统转移燃油以保持飞机的平衡。因此U-2飞机都配备了一个机械式燃油总计/计数器，飞行员必须自己衡量剩余的燃油和氧气与飞行时间的关系。此外U-2还使用了一种特殊的JP-TS航空燃料，这是一种低挥发性、低蒸汽压力的煤油燃料，因为U-2的飞行高度使用普通燃油会全部汽化。JP-TS航空燃料生产需要用到一种杀虫剂，结果导致1955年全美国杀虫剂短缺。

U-2R使用的是普惠J75-PW-13B发动机，干重2222公斤，直径1米，长度6米，额定推力为7711公斤（起飞和军用推力），正常巡航推力为6849公斤，在最大巡航高度时，推力会降到很低的状态。所有“B”系列发动机压气机都进行了重新设计，以提高高空性能。J75-PW-13B与传统的J75配置不同，通过对部件进行更精密的加工，减轻了重量。精密加工对于压气机部分尤为重要，因为精度不高会导致发动机压力损失和涡轮效率降低，不利于高空飞行。J75-PW-13B具有固定的喷嘴，从怠速到军用功率的加速时间约为8秒。燃油系统由五个油箱组成。包括机身底部的沉积油箱（四个油箱相互连接），左右内侧机翼油箱以及左右外侧机翼油箱。总可用燃油容量约为2915加仑（其中包括沉积油箱约100加仑）。拆卸发动机是通过断开机身后部并在发动机上方安装一个发动机轨道组件来完成的。然后，发动机可以沿着该轨道向后移动，直到它脱离机身。

U-2的驾驶舱很狭小拥挤，看起来像是战斗机座舱，和洛克希德·马丁公司的XF-104差不多，但配备了轰炸机和运输机中使用的控制杆。驾驶杆通过电缆和滑轮与副翼相连，方向舵通过电缆和滑轮与两个踏板连接。仪表板上有一系列传统的刻度盘和开关，但仪表盘中央有一个专门向下观察的潜望镜，能让飞行员能够看到飞机下方的情况。这个光学系统也是一个导航辅助设备，使飞行员能够在地面上发现和识别地标。通过在仪表板上转动一个旋钮，飞行员可以翻转一面镜子，将潜望镜转换为六分仪。这个六分仪安装在飞机的鼻部，就在驾驶舱前方，通过一个小玻璃半球观察天空。U-2飞行员通常使用天文导航，自动驾驶系统正常运作的情况下，在高空使用时非常准确，轻型座舱盖安装座舱左侧的铰链上，能承受每平方英寸5磅的压力，并由手动操作。座舱内没有弹射座椅，在紧急情况下飞行员需要手动解锁座舱并跳伞。U-2驾驶舱的气压相当于地平线上方28,000英尺，飞行员需要穿戴部分压力服，对身体的某些关键部位进行加压，并始终向头盔提供氧气。

U-2R、TR-1A和ER-2都配备了带单座弹射座椅的气密驾驶舱；TR-1B配备了两个单独的带弹射座椅的气密驾驶舱。每个驾驶舱都配备了中央仪表板、左右前部开关面板和中央基座。驾驶舱的左侧和右侧设有控制台面板、开关面板、断路器面板等。左侧、中央和右侧仪表板可作为单独的单元进行拆卸，并牢固螺栓在飞机结构上。各个面板沿着驾驶舱的左侧和右侧延伸。在飞机达到海拔3000米之前，所有增压舱室均保持非增压状态。驾驶舱保持2200米等压的恒定大气压。随着飞机的海拔升高，驾驶舱气压也增加，但增加速度要慢得多。在5400米以上，驾驶舱与大气压之间的压力差将保持在3.88psi。飞行员的逃生系统包括一种零速零高度火箭推进弹射座椅，可在整个飞行包线内安全分离飞行员和座椅。座椅弹射控制的操作会弹射座舱盖，并随后进行座椅弹射。驾驶舱采用传统的飞行控制系统，包括可调节的脚踏板用于操纵方向舵控制面。U-2R的方向舵脚踏板都是可折叠的，允许飞行员自由伸展双腿以减少疲劳，安装在控制柱上的方向盘式操纵杆用于操纵副翼和升降舵控制面。U-2R使用线缆直接连接每个控制面到驾驶舱，为了飞行安全，升降舵向上的线缆为双系统。

在1956年中情局首个U-2中队建立后，美国总统艾森豪威尔对使用U-2飞跃东欧以及苏联领空侦察仍然很犹豫，担心引发战争。但是中央情报局局长约翰·杜勒斯称，苏联雷达看不到U-2，而且即便飞机被击落，飞行员肯定死亡，因此美国完全可以否认。此外美国还急于了解苏联新型轰炸机的发展情况，因此艾森豪威尔在1956年6月批准实施侦察行动。1956 年 6 月 20 日，一架 U-2 飞越波兰和东德，7 月 2 日又进行了更多飞行。7月4日，U-2对苏联进行了第一次侦察飞行，苏联马上就用雷达探测到了U-2的活动，并立刻向美国提出抗议。但美国在7月5日仍然对苏联进行高空侦察，甚至拍摄到了苏联红军战斗机攻击U-2不成功的画面。通过数次飞行，美国军队在苏联9个基地都没有发现新的大型M-4野牛战略轰炸机，足以证明美国在轰炸机领域仍然继续领先。

除了苏联，美国在1956年还派遣U-2监视第二次中东战争的英法海底隧道两国。例如在1956年8月，从土耳其起飞的U-2侦察机在马耳他和塞浦路斯发现了许多英国军队准备实施军事干预的证据，美国立刻向女王陛下政府公布了部分照片进行施压。U-2侦察机的拍摄，帮助美国提前三天获得了以色列、英国、法国对埃及发动进攻的情报。1956年11月1日，一架U-2在10分钟内连续两次飞跃埃及阿尔马萨空军基地，拍摄到了英法空袭基地的景象，让美国总统艾森豪威尔印象深刻。

1958年，美国 U-2 侦察机证实了位于内盖夫沙漠的以色列迪莫纳核设施的存在。这使以色列的核计划引起了美国的注意。这次飞越引起了以色列空军的注意. 它的雷达探测并跟踪了飞越，但是无法了解这架飞机的具体情况。在后续的U-2侦察中，以色列战斗机多次紧急起飞实施拦截，最后均因高度不够而失败。1959 年3月11日，两架以色列战斗机再次拦截地面雷达探测到的的U-2侦察机。虽然拦截依然失败，但编队指挥官约瑟夫·阿隆少校仍然设法仔细观察并判断其为U-2侦察机。1959年7月22日，以色列空军中校吉姆奇驾驶法国“秃鹰”（Vautour）喷气式战斗机成功拍摄到U-2飞行的照片。

1958 年 12 月，赫鲁晓夫吹嘘说，苏联导弹可以将 5百万TNT当量的弹头发射到13,000 公里外的目标。随后美国国防部长尼尔·麦克尔罗伊称，苏联在 1960 年代初期可能在洲际弹道导弹方面暂时拥有三比一的优势，这在美国引起了关于“导弹差距”的争论。中央情报局怀疑苏联达不到这个水平，但美国空军认为新型导弹已准备部署。这导致艾森豪威尔在1959 年 7 月重新授权U-2飞越苏联侦察。从英国起飞的U-2飞机于 1959年 12 月和1960年2月和4月进行了3次飞越，但是获得的情报有限。但是赫鲁晓夫回忆录称，苏联本可以在4月份就击落U-2飞机，但是由于导弹部队反应速度慢而失败。

根据艾森豪威尔的授权，中情局在1960年5月1日再次派遣U-2执行第24次侦察苏联的行动。这次的飞行路线是首次横穿苏联国土，从巴基斯坦白沙瓦起飞穿越苏联领空最后在挪威博德降落，一次能够探测最多的苏联核武器、核潜艇和核导弹的情报。执行这次任务的是飞行员弗朗西斯·加里·鲍尔斯。他是最有经验的飞行员之一，曾执行过 27 次任务。5月1日他驾驶U-2进入苏联领空。苏联在边界外20公里的地方就开始跟踪到U-2的轨迹，并在飞行四个半小时后U-2飞越斯维尔德洛夫斯克上空的时候将其击落，3枚SA-2导弹飞向U-2，其中1枚导弹升至21488米高空，在飞机后方引爆，导致U-2飞机坠毁。鲍尔斯幸免于难，跳伞后被抓获。U-2并没有被完全摧毁，苏联人能够识别出大部分设备。由于美方认为飞行员不可能存活，因此5月3日美国航空航天局仍然按照事先确定的宣传脚本，宣布其一架在土耳其进行高空研究飞行的飞机失踪，飞机在苏联坠毁和飞行员遇难。5月7日，赫鲁晓夫公布理查德·鲍尔斯还活着，戳破了美国政府的谎言，并要求美国道歉，但遭到拒绝。鲍尔斯被判三年，1962年被作为“间谍交换”返回国内。回国后鲍尔斯进入洛克希德公司担任试飞员。

台空军第35中队的U-2侦察机从1962年1月13日开始进入大陆侦察，到6月底先后出动11架次，活动范围除新疆、西藏自治区外，遍及中国大陆，当时空军决定将把地空导弹部队撤出北京，到外地去机动设伏，只留一个营在北京，担负保卫首都的战备任务。通过分析U-2飞机航迹发现，江西南昌市上空是U- 2飞机经过最多的地区，因此把地空导弹第二营转移到南昌设伏。1962年9月9日U-2飞机从台湾桃园机场起飞，以2万米高度从福建海坛岛窜入大陆上空，到九江上空左转直飞南昌，8时32分U-2型飞机进入第二营火力范围，该营发射3枚导弹，当即将该机击落。1963年3至9月，U-2飞机曾3次临近地空导弹营设伏地点，均因其使用电子预警系统而及时改变航向逃脱。后经过分析发现，U-2在地空导弹雷达开机后20秒才开始机动，因此地空导弹第二营创造了近快战法，只有8秒就能发射第一枚导弹。随后地空导弹第二营分别在1963年11月1日、1964年7月7日两次击落U-2飞机，并通过缴获的残骸制作了“反电子预警1号”“反电子预警2号”设备，对付U-2飞机的电子战系统系统。1965年1月10日地空导弹第一营通过使用“反电子预警2号”和近快战法，第4次击落U-2飞机，并缴获了“13号系统”。在此基础上，研究部门开发了“反电子干扰1号”和“反电子干扰2号” 设备。后者在1967年9月8日嘉兴战斗中发挥了作用，第5次击落U-2飞机。

1962年10月14日，美国空军少校理查德·海瑟少校驾驶U-2飞机进入古巴领空，进行了6分钟飞行，拍摄了928 张照片后，然后返回佛罗里达州奥兰多附近的麦考伊空军基地。中情局的图片判读专家从海瑟少校驾驶U-2拍摄的照片中，发现了苏联在古巴部署的SS-4中程弹道导弹，随后中情局马上在10月16日通知了美国总统约翰·肯尼迪。这是美国首次发现苏联在古巴部署的弹道导弹。在一周之后，美国官方向民众公布了U-2飞机拍摄的古巴的苏联武器照片，除了SS-4中程弹道导弹之外，还有SS-5中程弹道导弹和伊尔-28轰炸机。古巴危机正式爆发。1962 年 10 月 27 日，美国空军少校小鲁道夫·安德森驾驶U-2侦察机对古巴再次进行空中侦察，这也是他第六次驾机进入古巴。本来按照计划没有安德森的飞行，但是他自己争取到了这次行动。安德森进入古巴领空后不久，U-2侦察机就被苏联雷达发现。苏联军方担心飞行员U-2拍摄到苏联秘密部署的战术核武器，现场指挥的格雷奇科中将亲自下达命令击落U-2。两枚地对空导弹将U-2击落，安德森在空中就当场死亡。与此同时，美国战略空军继续进行U-2任务以收集更多信息。赫鲁晓夫最终承诺如果美国解除封锁并承诺不入侵古巴，把在土耳其部署的带有核弹头PGM-19朱庇特导弹撤走，他将撤走在古巴的导弹。美国接受了苏联的条件，苏联很快开始将导弹运回苏联，从而结束了危机。

凯利·约翰逊在1957年就有了让U-2在航母上部署的想法，但是没有得到中情局的支持。在鲍尔斯驾驶的U-2被苏联击落后，海外部署U-2遭遇困难。约翰逊的想法重新得到了情报界高层的支持。1963年8月，1架喷涂N315X编号的U-2飞机被吊装到美国海军小鹰号航空母舰，然后在加利福尼亚州外海进行起飞。试飞员舒马赫只用了97米就成功起飞。为了能让U-2在航母上着舰，约翰逊改装了一种增加着陆钩的U-2飞机，命名为U-2G。1964年2月29日，试飞员舒马赫驾驶U-2G在“突击者” 号航母上着舰，但是飞机结构部分损坏。然后他又进行了5次成功着舰。1964年5月，刚刚成功的U-2G就搭乘”突击者”号航母前往南太平洋，对法国的核试验进行了至少2次飞行侦察。

1969年，新设计的U-2R再次进行航母着舰试验。U-2R的设计允许安装可拆卸的阻拦装置，并且每个机翼的最外侧1.8米可以向上折叠，使得飞机更容易适应航母的升降机和机库。1969年11月21日，试飞员比尔·帕克驾驶U-2R两次成功在“美国”号航母上成功着舰，此外还展示了轻载和重载从航母起飞。帕克对飞机的操纵性很满意。这次测试总共有5名飞行员获得U-2R在航母着舰资格认证。但是美国海军高层反对U-2R在航母上部署，因为它占用了宝贵的甲板和机库空间。

1977年，洛克希德提议升级U-2R，配备侧视雷达和最新的ASARS传感器包，这样U-2就能在未来冲突中执行重要的远程战术侦察任务。1979年，U-2生产线再度重启，除了翻新升级已有的U-2R飞机之外，在1989年终止生产前还生产了37架新机。为了适应飞机的新战术侦察角色，空军将单座机型的名称从U-2R改为TR-1A，将教练机命名为TR-1B。美国航空航天局的飞机被指定为ER-2。由于是战术侦察机，第一架TR-1A在1981年公开亮相。1989年10月，最后1架U-2飞机出厂。1992年TR-1的称号又被废除，这些飞机再次全部被称为U-2R。此时该机已经发展成为一个灵活多用途的电光、信号情报和雷达侦察平台，搭载ASARS-2改进型成像雷达和Senior Year电光侦察系统（SYERS）。1994年，U-2R进行了一系列重大升级，换装通用电气F118-GE-101非加力涡轮风扇发动机，新发动机能使U-2减重，并节省16%的燃料，升级后的型号改称为U-2S。从2000年开始，美军还不断升级U-2S，包括安装“玻璃驾驶舱”提高态势感知能力，配备更新的电气系统减少电磁干扰，配备改进的GPS导航系统，使用单块式挡风玻璃以提供更好的视野和防冰能力，以及加装改进的信号情报（SIGINT）设备。2020年洛克希德马丁公司称，要全面升级U-2S侦察机的航电系统，核心内容为使用新的任务计算机来取代老旧系统，因为后者的处理器早已经停产。这种新的任务计算机被称为企业任务计算机 2 (EMC2)，为固定在航空电子处理器上的“即插即用”系统，它还整合了更广泛的功能，包括动态任务重新规划、ISR 和电子战功能。U-2S 将通过 EMC 2系统和美军四代机的Link-16数据链，F-22的飞行平台间数据链（IFDL）和F-35的多功能先进数据链（MADL）进行通信。

2006年，美国军队计划开始让U-2在2011年前退役。2011年美军称将使用RQ-4无人机在2015年全面替代U-2侦察机。RQ-4无人机的航程远大于U-2侦察机，但是其光电侦察装置的分辨率无法和U-2相比。2021 年，美国空军宣布打算在 2026 年之前让 U-2 退役。然而在2023 财年预算提案时并未提及这一点，但是却明确提出在 2027 年退役RQ-4无人机。美国空军打算让 U-2 和 RQ-4几乎退役，将用RQ-480等隐身穿透性高空长航时无人驾驶飞机代替。

U-2A：第一款量产型单座侦察机

U-2B：双座教练机

U-2C：改进的单座侦察型，配备新发动机和改进的发动机进气口。

U-2D：两座教练机

U-2CT：由 U-2D 机身改造而成的双座教练机，但是教官坐在更高的位置。

U-2E：U-2B改装而成具备空中加油能力，使航程增加一倍。

U-2F：U-2C改装而成具备空中加油能力。U-2的空中加油型号能大大增加航程，但是由于飞行员无法长时间飞行而很少使用。

U-2G：U-2A 机身改装有更坚固的起落架、制动钩和机翼扰流板，在美国海军航空母舰上起降。

U-2H：U-2G的空中加油型号。

U-2R：U-2A的放大改进型号，带有翼下吊舱并增加燃料容量。

U-2RT：U-2R的双座教练机型号。

U-2EPX：U-2R改装的海上监视型号，供海军使用。

TR-1A：U-2R的改进型号，配备侧扫雷达、新的航空汽车传感器和改进的电子对抗设备。

TR-1B：TR-1A的双座教练机型号。

TU-2S：TR-1B换装新发动机的型号。

ER-2：为 美国航空航天局 建造的单座“地球资源”研究飞机。

U-2S：U-2R/TR-1A在更新了更高效的发动机、改进的传感器和增加了 GPS 系统后的统一被命名的新型号。

WU-2：U-2A在空军使用的早期代号。

“C-Span III”改装机：1985年美国改装了1架编号“68-10331”的U-2R和1架编号“80-1071”的TR-1A侦察机，加装了“C-Span III”系统，包括安装在机首的无源电子情报侦察系统。而其最大的特征就是安装在机背的大型数据链天线，能把收集到的信息通过机背天线向卫星进行实时传输。美国军队只改装了2架飞机，并没有赋予新的型号。