U-2上舰
从1963年开始，至少有一架美国空军的U-2在高空清晰空气湍流（HICAT）项目下，在机鼻安装了大气数据探杆，对高空湍流进行观测。该项目持续了几年，HICAT U-2被派往世界各地进行观测，成为使用U-2执行纯研究任务的早期例子。
HICAT U-2
安装在机鼻的大气数据探杆
把U-2部署在其他国家境内执行侦察任务从来都是件麻烦事，所以中情局决定研究从美国海军航空母舰上起降U-2的可行性。
该项目于1963年8月启动，代号“鲸尾”（WHALE TALE）。增加尾钩的U-2C从圣地亚哥沿海“小鹰”号航母上的起飞测试非常顺利，无需弹射器就能滑跑起飞，特别是当航母驶入逆风时。但降落就变成一场惨败，当然这也是意料之中的事情，因为U-2一起飞就不愿降落，触及甲板导致的翼尖弹跳会让U-2C重新回到天空。
在“小鹰”号上进行上舰测试的U-2C
不管怎样，U-2C的上舰测试证明了该机上舰的具有可行性，导致洛克希德制造出三架U-2G舰载型。该机具有更强大的起落架，一个拦阻尾钩，机翼上表面的扰流板（用于在着舰时破坏机翼升力，使U-2能落在甲板上）。1964年5月，U-2G从“突击者”号航母起飞对属波利尼西亚穆鲁罗阿环礁上的法国核弹试验场进行了两次侦察，这也是U-2G执行的唯一一次作战任务。中情局之后保留了四年的航母起降能力，但U-2G再也没有执行过任务。洛克希德还制造了一架具有空中加油能力的U-2H舰载型，结果因为超重被改回到U-2G。
U-2G降落在“突击者”号航母
U-2G的尾钩成功勾住了拦阻索
60年代末第一代U-2开始被第二代U-2接替，一些U-2C被改装成U-2CT双座教练机，于1973年进行了首飞。U-2CT的第二个座舱被安装在Q舱，拥有自己独立的座舱盖。由于教练型被证明是非常有用，1975年第二批U-2C被改装为教练机。
U-2CT教练机
美国空军在1971年把两架U-2C转让给NASA，用于研究任务。这些飞机在1987年退役，成为最后退役的第一代U-2。洛克希德制造的45架U-2A中只有11架幸存到退役，有26名飞行员因各种原因身亡。
二代U-2
到1966年夏天，中情局U-2机队已经因各种原因缩减至6架，鉴于U-2数量的减少，1966年五角大楼又订购了10架新型U-2，其中6架被分配给中情局。这批飞机的型号是U-2R，虽然保留了第一代U-2的总体布局和J75-P-13B发动机，但性能更强。
两代U-2的尺寸对比
U-2R的机身拉伸，增加了Q舱的尺寸，机头也更长，可更换安装有不同有效载荷的机鼻。该机的座舱也更大更舒适，具有零零弹射座椅。增加的座舱空间使飞行员可身穿宇航员式的高空代偿服，而不是令人不舒服的紧身衣。
U-2R飞行员的“太空服”
