当时任台湾“国防会议”秘书长的蒋经国听了克莱恩介绍情况后，对美国的合作计划很感兴趣。毕竟是“皇太子”，蒋经国的韬略远在俞大维之上。虽然蒋经国对大陆的核计划也没什么兴趣，可他更关心大陆内地的动态，因为蒋家一直没有放弃重返大陆的企图，如果有朝一日真的回到大陆，那内地不也是他蒋家的天下吗？于是小蒋同意了美国的合作计划，但要求得分点儿美国的“残羹剩饭”给台湾。克莱恩当即表示可以留用一些美国不需要的侦察情报。蒋经国甚是欢喜，马上奏明老蒋，蒋介石大笔一挥，批准通过了这份合作计划。
这项美蒋合作计划批准后，就开始在绝密状态下紧张地实施。台湾方面由蒋经国主持。台空军作战署长雷炎钧和情报署长衣复思奉命到桃园、新竹、嘉义和台南等基地挑选12名飞行员到琉球美军基地接受体能、生理、心理测试。
最后选定6人赴美受训。到1971年，共有27名国民党空军飞行员赴美受训。
赴美的国民党飞行员始终在极为保密的条件下接受训练。国民党空军到达美国后，立刻换上美国空军军服，并被警告不得擅自离开基地。当这些飞行员驾机训练时，附近机场的调度指挥们便被告知“英语不流利的飞行员正在使用对话频道”。据接受训练的王太佑回忆说，当时上课只能听讲提问，不得抄笔记，更不准将任何训练教程带出教室。尽管国民党飞行员的英语功底还算不错，可要听懂这么多复杂的课程却有些难度，可美国人以保密为由就是不编译U-2飞机的训练教材。
经过近一年的训练后，美国人认为这批国民党飞行员已可以驾机飞越台湾海峡、深入中国大陆进行间谍侦察了。于是，1960年7月，美国向台湾当局提供的第一批两架U-2飞机秘密运抵桃园机场。台湾则在从美受训回来的飞行员中挑选了6名飞行时间在2000小时以上，具有高空侦察经验的人员组成了隶属于国民党空军总部情报署的“第35气象侦察中队”。由于刚到的U-2飞机全身漆黑，没有任何识别标志，当时35中队的飞行员陈怀便设计了一个黑猫图案，黑色的猫身代表U-2飞机，一对猫眼则象征着高空摄影机。这只黑猫很快就成了35中队的队徽。
飞行员们又特意定做了一批标有黑猫图案的夹克衫，所以人们就称这个中队为“黑猫中队”。“黑猫中队”名义上隶属国民党空军总部情报署，实际上该中队是由美国人直接控制。飞机的维护、看管都由美军担任，停放U-2飞机的机棚，连国民党空军的联队长和大队长都进不去。
大部分美方人员是洛克希德公司雇员。他们来台前与中央情报局签有工作合同。其他的维修、调度、导航、摄影等专业人员也多来自美国军方，不过这些人为保密起见，一律不穿军服，相互间也以“经理”相称。对来自不同基地的空勤人员，美国中央情报局要求他们给亲朋好友写信时仍写原来的基地，再由原基地投寄回国，以免被人发现桃园有美空勤人员。但天下没有不透风的墙，美国情报机构费尽心机想将被称为“黑寡妇”的U-2飞机藏在桃园，可没过多久这份天机便被大陆方面探究清楚。海峡对岸的人民广播电台向台湾空军喊话，表示驾驶U-2飞机投诚者可获相当于28万美元的奖励。美台方面怀疑基地附近有中共间谍。他们哪里知道，这个“间谍”就是大陆的沿海防空雷达网。
经过一年多的再次训练和调试，“黑猫中队”于1962年1月13日开始出动U-2飞机对大陆实施高空侦察。
年击落美国间谍飞机由于中国大陆核工厂和核试验场均分布在中国的西北部，这些地方距台湾都有几千公里的航程。U-2飞机在这么远的距离上执行侦察任务，飞行员的体能和飞机的性能都消耗极大，如果中途发生故障，根本无法返回台湾。
机毁人亡是小，关键是不能让大陆抓住任何证据，否则中央情报局不好向世人交代。特别是1960年5月，一架U-2飞机在苏联被击落，苏联人借此大做文章，掀起轩然大波，艾森豪威尔脸面丢尽，美国人对高空间谍活动更为谨慎了。为了增加U-2飞机出航的保险系数，美蒋双方曾考虑在大陆周边国家寻觅一处供U-2飞机起降的机场。
他们选定了泰国和印度。但在当时情况下，这两个国家均不愿意替美台背这个坏名声。别无选择，“黑猫中队”只得从桃园基地起飞了。
由于中国当时已装备远距离多管雷达，对U-2飞机的追踪成功率相当高，所以U-2飞机在桃园起飞后，一般先向东朝琉球方向飞，以逃避沿海雷达网的监控。等升到5万英尺高空后，才在鹅銮鼻附近调头由汕头附近飞进大陆，穿过所谓的“竹幕”，开始吉凶难卜的航程。
中国大陆方面早已查明美蒋勾结、利用U-2飞机对我核试验进行高空侦察的阴谋，但U-2飞机的飞行高度的确令解放军空军各类歼击机望尘莫及。60年代初，我军担负防空任务的兵器中只有萨姆-2导弹才能对付“黑猫中队”驾驶的“黑寡妇”。
中央军委根据空军的建议，当即决定调萨姆-2导弹部队，在U-2飞机经常活动的航路上机动埋伏，待机歼敌。
在总参谋长罗瑞卿的主持下，我军多次召开防空系统领导人会议。在仔细研究U-2飞机“竹幕”的飞行路线后，发现U-2飞机在1962年上半年11次的飞行中，有8次经过南昌，于是便决定将3个地对空导弹营以“地质打井队”的名义在南昌布阵，列网捕杀神秘的“黑寡妇”。
1962年，桃园基地的U-2飞机平均每月出勤3次。每次总趁我沿海空军歼击机换防时进行。我军摸清了这一规律，所以在空军导弹部队某部2营到位后，就抛出了诱饵，引蛇出洞。1962年7月，一大队我空军轻型轰炸机从南京换防到南昌。第二天，又一大队轰炸机飞往南昌以南。上述活动均被沿海岛屿上的国民党雷达所掌握。台湾军方以为我军一定有所调动，便与美方协商，决定派U-2飞机前往侦察。9月8日，“黑猫中队”飞行员杨世驹接到出勤令。
他驾U-2飞机从桃园起飞后，先往南飞昆明，再转回南宁、桂林。正当他准备继续向前飞往南昌时，飞机油路系统忽然发生故障，只好从桂林转头飞回台湾。
当时，2营的官兵十分纳闷，他们不明白，为什么这架U-2飞机眼看就要进网，却猛地调头飞向广东，而且还在天空七拐八绕地留下一串串弧形，然后一个急转弯，掠过广州市区便逃之夭夭了。他们不知道杨世驹是因为油路故障才没有继续北上，走上死亡之路。第二天，接杨世驹班的陈怀则代他走上了这条不归之路。
9月9日凌晨6时，陈怀驾驶U-2飞机又从桃园基地起飞，自福建平潭进入大陆后经福州，沿鹰厦铁路，过南昌，然后向南京直飞而去。我军的多部雷达已紧紧盯住他。地空导弹部队进入临战状态。
陈怀的U-2飞机飞过九江后，左转180度，直扑南昌。
8时32分，南昌导弹阵地，3发萨姆-2导弹离地而起，U-2飞机一头撞进由3600块弹片编织的死亡之网中。
U-2飞机残骸坠落在南昌市东南18公里外罗家集的一片稻田里。整个机体被弹片炸得蜂窝一般。陈怀虽跳伞成功，却被弹片击中，落地时已奄奄一息。
赶到现场的解放军将陈急送医院，可终因伤势过重，抢救无效死亡。按照空军司令员刘亚楼的指示，2营战士用棺木将其埋葬在一个长满小树的山坡上。
南昌之战获胜，国人扬眉吐气。新华社9月9日发布消息：“美制蒋匪帮U-2高空侦察机一架，于9日上午窜至华东地区上空，被我中国人民解放军空军部队击落。”
当时，我国对如何击落U-2飞机守口如瓶。台湾及西方的军事专家和新闻记者一直在挖空心思地刺探我军使用何种武器击落先进的U-2飞机。虽然U-2飞机早在1960年就被苏联国立防空军击落过，可美国一直以为克格勃在飞机上做了手脚。国外许多人对中国军队能拥有击落U-2飞机的能力和手段持怀疑态度。在一次记者招待会上，有外国记者又提出这个问题。外交部长陈毅幽默地说：“我们是用木棍捅下来的。”
U-2飞机被击落后，台湾当局和美国方面分别发布消息，掩盖事实真相。
双方都称是洛克希德公司在获得美国政府的出口执照后，将两架U-2飞机出售给台湾的。言下之意是，整个事件与美国政府无关。
中国人民当然不信这一套。《人民日报》发表头版社论，指责美国加强U-2侦察机的侦察活动，“是美帝国主义为加深远东紧张局势和加速其在世界各地的准备工作，以从事新战争的一项具体步骤。”
U-2飞机事件也引发了美国盟国舆论界的不满。日本各大报刊均以头版头条报道此事，并称这是一个可怕的信号。《朝日新闻》说，这次事件是国际局势恶化的不祥之兆，并呼吁美蒋停止对中国大陆的高空侦察活动。《读卖新闻》
也警告说，这件事将为东方阵营国家提供“有力的借口”，在联合国抨击美国为首的西方国家。
面对国际社会的指责和质疑，美蒋方面开始是死活不认账，被逼得无奈时，美国国务院发言人竟耍无赖说，“有关U-2飞机的问题，我们该说的都说了。我们已一再表明那是‘中华民国政府’自己的事”。一脚将球踢给了台湾。
为了揭穿美蒋的谎言和画皮，被俘虏的原国民党空军RF101型侦察机飞行员吴宝智亲自出来作证，揭露美蒋联合用U-2飞机侦察大陆的事实真相，给了他们致命的一击。
在铁证面前，美国政府不得不出来做出某种姿态，缓解国内外的压力。肯尼迪在白宫举行的记者招待会上暗示，美国将不同意台湾方面再采购新的U-2飞机赴大陆执行侦察任务。（台湾另一架U-2飞机在飞行训练中坠海爆炸）。