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自40年代起冷战展开，美国对苏联国内的情报需求甚切。空军开始以波音RB-47侦察机闯入[[苏联]]领空进行高空侦照，当时苏联的空防仍然存在漏洞，很多边界和领空都未有[[雷达]]覆盖，美军就利用这些空隙进入苏联领空进行侦察。到1950年苏联的防空政策有非常重大的转变，开始攻击一些飞近国界或入侵领空的外国飞机。随着朝鲜战争于1950年6月爆发，苏联的“严格防空政策”（severe air defence policy）更延伸到 [[ 远东 ]] 地区。1952年8月，苏联战机闯入日本 [[ 北海道 ]] 领空击落1架美国空军RB-29侦察机，于苏联领空进行高空侦照变得愈来愈危险。

因此，美国空军开始寻求一种飞行高度70,000英尺或以上的亚音速高空侦察机，藉高飞行高度来逃避苏方战机拦截，当时最先进的苏联战机— [[ 米格-17 ]] 飞行高度为45,000英尺。1953年7月，空军要求格伦·L·马丁公司研究将B-57 [[ 堪培拉式轰炸机 ]] 改良成一种超高空侦察机的可行性，也与贝尔飞机公司和费柴尔德公司签订研究合约，认为这些小公司能较快完成研发和生产。到1954年1月，3家公司均各自提出了自己的设计。费柴尔德公司提出了M-195设计，单发动机，飞行高度67,200英尺；贝尔飞机公司则提出了67型（后来的X-16）设计，双发动机，飞行高度69,500英尺。而格伦·L·马丁公司则 为B为[[B-57 ]] 加装了一对大 [[ 机翼 ]] ，使飞行高度能达到64,000英尺。

未有与空军签订研究合约的 [[ 洛克希德公司 ]] 在得知空军计划后，于1954年3月开始由凯利·詹森向空军将领和文官多次展示飞行高度超过70,000英尺，航程2,000英里的CL-282设计。部分文官对CL-282非常有兴趣，但将领们却相反。一位将领更于展示途中离场，并说对这种没有 [[ 起落架 ]] 和枪炮的飞机毫无兴趣。

1954年6月1日，洛克希德的 [[ 设计 ]] 正式被空军以单发动机和太怪异为由否决。空军选定贝尔飞机公司 的X的[[X-16 ]] 和改装现有的B-57成为高空侦察机。并于9月与贝尔飞机公司签订建造28架X-16的合约。

1954年7月26日，随着苏联威胁越来越大，总统 [[ 艾森豪 ]] 授权詹姆士·克林（James Rhyne Killian）成立和领导一个智囊团去研究国家现有的 [[ 技术 ]] 能否面对当前的问题。智囊团分为三组，其中一组负责调查美国的情报能力，名为“Project 3”。“Project 3”由埃德温·兰德（Edwin H. Land）领导，还有另外5位成员。同年8月，兰德到华盛顿与一些国内情报机构会面时，从一位中情局官员手中接到一份CL-282设计图，并告诉他空军已经否决了这个设计，兰德看过设计图后留下了深刻印象。几天后，他向“Project 3”其他成员展示这份设计图，所有成员都对这架 [[ 飞机 ]] 非常有兴趣，并认为中情局较空军适合于和平时期对苏联进行高空侦照。“Project 3”成员于10月向当时中情局局长艾伦·杜勒斯讨论CL-282的概念，但道勒斯并不希望中情局接手任何空军的计划，即使已经被空军否决的也一样。1954年11月初，克林和兰德与艾森豪总统会面，向他解说CL-282的设计和讨论有关高空侦察机的问题。最后，艾森豪总统批准发展CL-282，并同意新高空侦察机计划应该由中情局负责。

1954年11月23日，艾森豪总统正式批准中情局接手CL-282，并要空军提供一切必要的协助。12月22日，中情局与洛克希德公司签订意向书，建造20架CL-282机体和1架双座型及其他零件，由空军提供发动机。正式合约于1955年3月2日签订，而X-16计划则 于U于[[U-2 ]] 首飞后终止，未有造出实机。

由于CL-282设计作侦察之用，因此官方名称代号并未有使用B-（ [[ 轰炸机 ]] ）或F-（ [[ 战斗机 ]] ），但它属高度机密，所以又不能使用侦察机代号。为了隐藏其真实用途，美国空军于1955年7月选择了U-（utility，多用途）这个代号，自此CL-282就订名为U-2。

由于属高度机密，凯利把设计办公室迁移到位于 [[ 加州 ]] 伯班克的臭鼬工厂内，并把工程人员安排在离U-2 [[ 生产 线50 线]]50 英尺内的地方工作，以方便工程人员在生产出现问题时能迅速修正。

凯利以F-104星式战斗机为蓝本，把那对低展弦比的 [[ 机翼 ]] 换成一对类似滑翔机的超修长机翼，高展弦比的机翼令U-2有着跟 [[ 滑翔机 ]] 相似的飞行特性。其独特的着陆特性和极高的飞行高度，令驾驶U-2的挑战性非常大。为了保持70,000英尺的飞行高度，U-2A和U-2C必须以最高速度飞行。然而，70,000英尺高空上U-2的失速速度与最高速度只相差5节（每小时9公里）。近九成任务中，U-2飞行员都要把 [[ 速度 ]] 保持于那5节之内，飞行高度常常因此而下跌，导致被敌方发现，抑或转弯不顺会造成一边翼端超速而另一端失速，形成失控甚至解体。 [[ 中华民国 ]] 空军黑猫中队飞行员回忆：30度之内转弯都没问题，但开始转弯之时机极为重要，转早了导弹会跟着转，晚了又躲不开。

另一个外观特征就是其 [[ 起落架 ]] ，与其他飞机的典型三点式设计（机鼻1个，机翼下2个）不同，U-2的“脚踏车式”起落架只有2个，主翼下方1个，发动机尾下方装有另1个可转向起落架。为了于滑行时保持平衡，翼下装有一对名为“pogos”的抛弃式辅助轮。“pogos”会于U-2起飞时掉落，并由地勤人员回收再用。

U-2原型机设计配备1具重3,820磅，提供13,000磅推力的普惠J57/P31发动机，但由于当时RB-57D都是配备这种 [[ 发动机 ]] ，J57/P31的生产数量未能完全供应两种机种使用。因此，U-2原型机只配备一具较J57/P31重276磅，只能产生10,200磅推力的J57/P31。