1969年初秋，尼克松同意D-21B对华侦察行动，行动代号“高级碗”。
1969年11月9日凌晨，一架B-52H挂着两架D-21B从加州比尔基地首次起飞，12小时后进行空中加油，14小时后到达处于中国预警雷达网之外的投放点，517号D-21B成功投放，飞向中国内陆罗布泊的核试验场。该机的导航系统已装定了所有航路点，到达目标后会自动原路返航。
然而，遥测装置关机后，517号就不见了，再也没回来，中国也未宣布什么消息。估计是错过了一个航路点，这时导航系统就无法将飞机导向下一个点。
修改导航程序后，D-21B于1970年2月在太平洋再次试飞，共飞行5499千米，高度超过28956米，导航精度为3.2～4.8千米，回收和照片都还满意。
由于政治原因，新的任务1970年底才获批准。1970年12月16日，523号机侵入中国领空，拍摄了罗布泊，可最后回收舱未能正常开伞，好不容易窃取的情报又被摔毁，机体估计也正常自毁。
▲D-21B挂在B-52翼下
1971年3月4日的第3次实际任务中，空中回收又告失败。回收舱落海后，挂住了美国海军一艘前去打捞的驱逐舰的船底，可不光没被捞上来，还沉入了海底。另一艘船发现了漂浮的机体，但还未挂上绳子，机体也沉了下去。
1971年3月20日的第4次行动中，527号机侵入中国领空达3057千米，但在航程最后一段坠毁，公开资料无法查到它是被中国击落还是因故障坠毁。
1971年7月15日，美国决定取消D-21B计划，飞机封存，并销毁全部制造模具。7月23日，在第4200试飞联队的解散仪式上约翰逊说：这一计划因为没有充分试飞，可靠性不够而损失了几架飞机，但它了不起的地方在于，我们能用与其它系统相比低很多的成本达到这样高的性能水平。
1964～1969年间，D-21共生产38架，其中21架飞行过，包括4架用M-21投放，13架用B-52H投放，4架用于侦察中国。不过，在实际行动中，虽然总算有两架回到回收区，但一张照片也没捞着。(www.xing528.com)
直至退役，D-21仍是秘密项目，外界直到1976年8月第一批退役机送到允许公众参观的戴维斯-蒙塞空军基地的军事贮存与处置中心时，才知道它的存在。直到1982年，才首次公开了有D-21/M-21和D-21B/B-52H组合的照片，但仍有很多细节不为人所知，比如D-21的性能。在各种估计中，速度最高的有4马赫，高度最高的有30480米，航程在2011～16090千米。1993年，剩下的D-21B被送到博物馆。
D-21的研制的确极富挑战性，考虑到任务的复杂性，它遇到的问题都算不上稀奇。其研制过程更像是导弹，因为它本身不回收，所有问题都只能从遥测数据来分析。1975年1月16日，约翰逊退休，他的副手本·里奇接任臭鼬工程队主任。1990年12月22日，约翰逊逝世，终年80岁。12月23日本·里奇退休，1995年1月5日逝世，终年69岁。
D-21实机
目前仅存的940号M-21在西雅图附近的波音机场的飞行博物馆阵列，同台展出的还有502号D-21。最戏剧性的是，17年后的1986年2月，517号D-21B居然回家了。
当时，一位中情局官员拿着这块用雷达吸波材料制成的板子走进本·里奇的办公室，里奇惊讶地问从哪里搞到的，这位官员笑着说：“信不信由你，这是一个克格勃特工送我的圣诞礼物。”
▲D-21实机
▲SNR-75M3扇歌制导雷达
原来，因为导航系统故障，517号D-21B完成任务后一路向北，直到燃料耗尽后，落在前苏联拜科努尔附近的基尤腊塔姆地区。落下的碎片中有一块是发动机座上的板子，被人捡到交给前苏联官方。
改革出版社2008年8月出版的《蓝天放歌——一个老飞行员的蓝天情结》一书更揭开了另一个惊人的谜底：“这种飞机（指‘高度3万3，速度3千3’的美国高空无人侦察机）在云南地区上空共活动过4次，最后一次入侵时出了故障，转弯时突然从空中掉了下来，坠落到云南省西双版纳境内，在热带雨林里来了一个‘软着陆’，竟保存得如此完好。美军一时也没有搞清原因，还误认为是被我空军击落的。我方判断它是转弯时失速而坠落的。后来北京来的科研人员将飞机残骸运到北京去做科学研究。后来我们在航空领域的许多科研成果，都与这次收获有关。”
D-21实机
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