Следующий этап - проект PRIME - был посвящен исследованию летных характеристик при входе в атмосферу малого АНК SV-5D; параллельно с ним проводились летные испытания пилотируемых аппаратов-прототипов большего размера. ВВС США считали, что подобные аппараты могут применяться для оперативного возвращения разведывательных фотоматериалов из космоса, проведения ударных операций, в том числе и в пилотируемом режиме. Детали программы анонсировал в апреле 1964 г ее руководитель подполковник Шерман Хислоп (Sherman L. Hislop) из Дивизии космических систем ВВС США. Проект PRIME получил официальный статус в ноябре 1964 г, а 14 августа 1965 г. компания Martin Marietta из г Балтимор получила контракт стоимостью 2,75 млн $ на создание беспилотного аппарата SV-5D. В конечном итоге на его основе предполагалось создать транспортную космическую систему для перевозок экипажа и грузов по маршруту «Земля - орбитальная лаборатория MOL - Земля».

История этой разработки восходит к ноябрю 1960 г, когда фирма Martin по контракту ВВС начала исследования АНК в рамках секретного «проекта 698AN» с целью доставки фотоматериалов с разведывательных спутников семейства SAMOS. В рамках этого проекта уже в 1961 г в сверхзвуковой трубе продувалась капсула с несущим корпусом М-103. К декабрю 1963 г на основе этих исследований был подготовлен проект АНК SV-5 (Space Vehicle-5). Он стал основой для нескольких последующих проектов, обшую аэродинамическую компоновку которых удалось определить в 1964-1965 гг по результатам более чем 50 сбросов радиоуправляемых моделей с вертолетов. Все модели семейства SV-5 в плане имели треугольную форму со стреловидностью 77°. Нижняя поверхность - плоская, оптимальная для гиперзвуковых скоростей. Носовая часть слегка выгнута вверх для обеспечения продольной устойчивости на сверхзвуке. Выпуклая верхняя поверхность с изломом образует двускатную хвостовую часть. Такие обводы, по расчетам, обеспечивали приемлемые характеристики при дозвуковом планировании и посадке.

Стремясь избежать ошибок, связанных с «масштабным фактором», руководители программы START считали целесообразным сразу начать летные испытания аппарата большого размера и использовать для этого, например, уже начинавшую летать ракету-носитель Titan III. По расчетам, экспериментальный беспилотный аппарат типа SV-5 имел стартовую массу 1600 фунтов (726 кг) при длине 3,0 и ширине 1,2 м. Расчетное значение аэродинамического качества составляло 4,5 на дозвуковых скоростях и до 1,4 - на гиперзвуковых. Предполагалось, что при запуске с мыса Канаверал он сделает 3/4 витка и совершит посадку в океан у Гавайских островов. Однако по экономическим соображениям было решено, что первые аппараты для суборбитальных полетов, получившие обозначение SV-5D (от Drone), будут иметь меньшие размеры и массу, которые могут изменяться от пуска к пуску в зависимости от целей испытаний.

К 1966 г. проект передали в производство. В качестве носителя был назначен Atlas фирмы General Dynamics (вариант SLV-3) с запуском с территории авиабазы Ванденберг в Калифорнии в направлении атолла Кваджалейн в Тихом океане на дальность около 8000 км. Основными целями запуска были определение аэродинамических характеристик на высоких гиперзвуковых скоростях и демонстрация маневрирования в полете. (Фактическое значение гиперзвукового качества аппарата SV-5D достигало 1,2-1,3. Для сравнения: у командного модуля «Аполлона» оно не превышало 0,4. Расчетная дальность бокового маневра составляла 1100-1280 км.). Масса SV-5D составляла 890 фунтов (404 кг), длина 6.66 фута (2,04 м) и ширина 3,8 фута (1,16 м). Применение абляционной теплозащиты позволило изготовить конструкцию из традиционных алюминиевых сплавов и нержавеющей стали, что было существенно дешевле «экзотики», использовавшейся на моделях ASSET.

Большинство моделей SV-5 для бросковых испытаний имели три вертикальных киля - один центральный и два боковых, однако разработчики признали возможным использовать для пусков по программе PRIME двухкилевую конфигурацию. Для маневрирования в атмосфере в хвостовой части АНК имелись два щитка с гидроприводом. В основании каждого киля устанавливались по три реактивных сопла на сжатом азоте. Для центровки все тяжелые внутренние системы по возможности были перенесены ближе к носовой части. Для обеспечения балансировки в носовой части устанавливался балласт массой около 90 фунтов (41 кг). Плотность компоновки SV-5D составляла 574 кг/м, а коэффициент использования полезного объема достигал 0,62. При внутреннем объеме корпуса около 0,7 м площадь поверхности аппарата составляла 5,47 м (49,2 фута), что считалось весьма неплохим соотношением.

Внешняя обшивка аппарата (тонкие стальные листы) нагревалась лишь до 204°С, поскольку была полностью покрыта теплозащитой. Носок общей массой около 30 фунтов (14 кг) изготовили из литого фенольно-углеродного композита FM-5065. Максимальная толщина его оболочки в критической точке достигала 8,9 см, а минимальная - около 2,5 см. Аналогичный материал наносился на нижнюю поверхность балансировочных подфюзеляжных щитков. Щитки размером 30,5x30,5 см изготавливались из бериллиевых заготовок толщиной 1,25 см. Верхняя поверхность щитков покрывалась эластомерным силиконовым композитом ESA-3560HF разработки фирмы Martin Marietta. Этот же материал использовался на передней части фюзеляжа и на боковых поверхностях килей. Гибкая основа композита (стеклотекстолитовые соты) обеспечивала отсутствие трещин при различных деформациях. Для охлаждения внутренних систем применялась система терморегулирования, основанная на принципе забора тепла при «холодном» кипении воды в вакууме.

Хвостовая часть фюзеляжа и передние кромки килей защищались композитом ESA-5500, который был прочнее и плотнее, чем ESA-3560HF, а также отличался большей жаростойкостью. Суммарная масса теплозащиты составляла 391 фунт (177 кг), из которых на абляцию приходилось около 242 фунтов (110 кг). Система спасения аппаратов PRIME создавалась с учетом опыта, полученного по программе ASSET. После совершения запланированных маневров, SV-5D входил в атмосферу, где совершал управляемый спуск. На высоте 30 км при скорости более 2000 км/ч выпускался тормозной шар-баллон, а затем, после стабилизации аппарата, раскрывался основной купол диаметром более 14 м. Снижающийся на парашюте аппарат подхватывался в воздухе специальным самолетом Lockheed JC-130B. Захват осуществлялся выпускаемым крюком за коническую часть, выступающую из купола основного парашюта - за свою форму он получил прозвище «сомбреро». Экипаж JC-130B, вооружившись теплозащитными рукавицами, втаскивал спасенный аппарат через заднюю рампу. В отличие от модели ASSET, PRIME не имел внутренней системы аварийного подрыва.

Программа испытаний предусматривала проведение четырех пусков «Атласа» со стартового комплекса SLC-3E. При выведении АНК, находившийся в носовой части ракеты, был закрыт коническим головным обтекателем. Первый пуск состоялся 21 декабря 1966 г Носитель отработал идеально, и аппарат вышел на стандартный для программы PRIME профиль, достигнув почти орбитальной скорости 7710 м/с, максимальной высоты 167 км и дальности 7960 км. После отделения АНК программно разворачивался по крену и тангажу; маневрирование по курсу не планировалось, поскольку основной целью испытания была проверка работоспособности систем аппарата при спуске с орбиты без бокового маневра. Основная часть полета прошла штатно, но из-за отказа в ходе развертывания основного парашюта аппарат был потерян (утонул в Тихом океане). Наземные радиосредства не смогли зарегистрировать угол атаки при входе в атмосферу, однако большая часть запланированных данных была получена по телеметрическому каналу.

Второй PRIME стартовал 5 марта 1967 г Впервые в мире он выполнил значительный боковой маневр при снижении - на 654 мили (1052 км). Парашютная система сработала почти штатно, но самолет-спасатель не смог произвести подхват, и аппарат упал в воду и утонул. На поверхности остались лишь средства обеспечения плавучести... Зато в ходе миссии была получена прекрасная телеметрия 205 параметров. Наиболее успешным был полет №3, осуществленный 19/20 апреля 1967 г Пиковая высота траектории составила 113,5 миль (183 км); при спуске в атмосфере АНК маневрировал с боковой дальностью 1482 км. Он вышел в заданный район с ошибкой около 7 км, но самолет-спасатель JC-130B смог осуществить подхват на высоте 3,7 км. Впервые удалось получить полный массив данных об условиях полета как по телеметрии, так и после осмотра аппарата. Выяснилось, что тепловой экран потерял меньше ожидаемого - всего 20 фунтов (9 кг) абляции, а температура поверхности аппарата достигала 1635°С, тогда как внутри приборного отсека она не превышала 18°С!

Все задачи проекта PRIME оказались выполненными, и от проведения четвертого пуска заказчик отказался. На всю программу, включая стоимость трех ракет, было израсходовано 70,2 млн $. 23 мая 1967 г аппарат PRIME №3 был показан журналистам в Пентагоне во время пресс-конференции полковника Кёртиса Сковилла (Curtis L. Scoville), менеджера проекта PRIME. Отмечалось, что аппарат может быть отремонтирован и запущен вновь. Сохранившиеся экземпляры аппаратов ASSET и PRIME были переданы Национальному музею ВВС США и сейчас экспонируются в Дейтоне, шт. Огайо.

Анализ данных, полученных при запусках беспилотных аппаратов с несущим корпусом малого удлинения, показал, что они аэродинамически устойчивы и быстро занимают требуемое положение в пространстве в соответствии с передаваемыми командами управления. Положительные результаты проекта позволили принять решение об исследовании управляемости, маневренности и других проблем на финальном участке полета с дозвуковыми, околозвуковыми и малыми сверхзвуковыми скоростями (до числа М=2,0) с помощью пилотируемых АНК.