Le vol, qui ne doit durer que quelques minutes, doit permettre à l'avion d'atteindre la vitesse de Mach 6. Un moteur, d'habitude utilisé sur des missiles, devrait propulser le X-51 à Mach 4,5 (plus de 5.000 km/h) pendant 30 secondes avant qu'un statoréacteur ne prenne le relais et l'amène à une altitude de 21.000 mètres et une vitesse de Mach 6, après quoi l'avion s'abîmera dans l'océan Pacifique.
Cette technologie pourrait trouver des applications dans les avions de reconnaissance, les frappes à longue portée ou encore le transport à longue distance et grande vitesse, d'après le Pentagone.
Lors d'un précédent test, en juin 2011, le moteur avait dû être arrêté et l'essai s'était soldé par un échec.