在位于内华达州的费伦海军空战演练场上，一场逼真的空对地攻击演习正在进行。远方的地平线上突然出现了三架形态怪异的战斗机，但精密的地面防空雷达显然没有探查到他们的存在，而来袭的战机则用一枚对地导弹轻而易举的把雷达站炸上了天。恰在此时，两枚红外制导的防空导弹腾空而起，向那架刚刚摧毁了雷达站的战机扑去。飞行员一面驾驶飞机躲避防空导弹的袭击，一面呼叫自己的僚机去摧毁“敌人”的防空导弹阵地。僚机随即投下激光制导炸弹摧毁了剩余的防空导弹。紧接着，又有数个关键目标被摧毁。最后登场的是中队长驾驶的一号机，在“敌人”密集的防空炮火中穿梭自如，并把一枚重磅岩穴炸弹准确的投入“敌方”指挥部。随着一声巨响，“敌人”指挥系统被彻底消灭，三架战机顺利返航。
这三架外形奇特、名为“鹰爪”的战斗机是美国海军为能在全球范围内执行反恐等特殊任务，斥巨资研发的新一代多功能高超音速隐身舰载战斗机。为了能在正式列装前测试这种战斗机的实战能力。海军从全美1500多名航空兵中挑选出了三名顶尖飞行员执行试飞任务。他们是英俊的中队长本·甘农、前途无量的美女飞行员卡拉·韦德和性格开朗的黑人飞行员亨利·珀塞尔。
作为项目负责人乔治·肯明斯上校对自己三名下属以及他们驾驶的鹰爪战机的表现都非常满意。当试验任务结束后，上校通知他的三位下属，他们将在周三早上驾机飞往菲律宾海，在那里与亚伯拉罕林肯号航空母舰汇合，正式进入战备值班。同时，上校还告诉他们将有新成员加入中队。这让亨利有些不满，因为他觉得“4”这个数字有点不吉利，但既然是上司的命令，也就只有服从的份儿了。
三架飞机按照计划顺利在林肯号航母上着陆。在舰上，上校向他的部下介绍了自己多年的好友、林肯号的舰长达克·马什菲尔德。入夜时分，上校和中队长本·甘农站在航母的甲板上准备迎接中队的新成员到来。远方，一架形如蝙蝠的暗金色战斗机像幽灵一样飞临航母上空，并精准的垂直降落到航母甲板上。最令人惊讶的是这架飞机的驾驶舱内居然没有飞行员。原来这是一架装备了量子处理器的全自动多用途无人驾驶战斗机，是最先进的人工智能计算机控制系统与最新型隐形战斗机的结合体，并且拥有自我学习的能力。上校告诉本，他们的任务就是把自己那些飞行绝活毫无保留的交给这架名为“艾迪”的无人战斗机，以使其完全适应实战要求。但本却对上司的命令不以为然，认为这么做存有潜在的风险，一旦无人机失控，后果不堪设想。对此，上校一笑置之，还半开玩笑的说本这么想是怕“艾迪”抢了他的饭碗。
转天清晨，在对航母的飞行甲板进行例行检查的时候，马什菲尔德舰长向肯明斯上校表达了类似的担心，同时委婉的向上校表达了不希望让自己指挥的军舰惹上麻烦的态度。上校只好一再向舰长表示，一切都在他的控制之中，不会有任何问题。马什菲尔德舰长最终相信了这位老朋友的话。
例行训练开始了，中队长本和他的同伴们先后驾机升空。最后压轴出场的是无人机艾迪，依然是用它最拿手的垂直升空的绝活儿，在众人的注视中跃上云端。编队训练中，艾迪超长的机动性能让所有的队友都印象深刻，他们给了这架无人机一个新的绰号“锡人一世”。艾迪似乎对这个绰号也很是满意。
就在编队即将完成训练的时候，上校向他们转发了一个新的作战计划，命令他们立刻转往缅甸首府仰光，对市中心在建的国防部大厦进行精确打击，目的是为了消灭三名准备在这座建筑物中谋划袭击美国本土的恐怖分子头目。时间刻不容缓，空中编队以4马赫（音速的四倍）的超高速度直扑仰光上空。但是，随后传来的情报，让这次任务变得异常困难，建筑物是由坚固而厚重的钢筋水泥构成的，顶部还做了加厚处理。鹰爪战机上没有能够对付这种目标的适宜武器，而且行动中还不能伤及无辜，更是让行动变得难上加难。恰在此时，艾迪搭载的超级计算机给出了一个可行的方案，即从建筑物的正上方加速俯冲，以增加炸弹投掷的初速度，从而达到穿透轰炸的效果。但这也是一个风险极大的计划，如果使用有人驾驶飞机执行这项任务的话，飞机在向地面急速俯冲的过程中，飞行员极有可能因过载超出身体负荷而昏厥，导致机毁人亡。为此，正在航母上指挥战斗的上校马上下令让艾迪去执行这项任务，但中队长本却执意要亲自去执行这项危险的任务。最终，本驾机精准的投下了炸弹，摧毁了目标，并带领全队安全返航。然而，在着舰的过程中，无人机艾迪被闪电击中，最后只是勉强安全降落。
在艾迪接受维修期间，鹰爪中队的三名飞行员得到了难得的休息机会。三人结伴去泰国度假。度假期间，本与卡拉之间的感情不断升温，但是身为好友的亨利告诫本，卡拉是海军高层看重并刻意栽培的女军官，不要因为个人的感情毁掉僚友的大好前程。就在本考虑如何处理与卡拉的关系之时，新的作战任务让这段浪漫的假期提前画上了句号。
回到航空母舰上，飞行员们得到了新的战斗任务：他们将飞往塔吉克斯坦东部的山谷地区，那里的一名军阀私藏了三枚携带核弹头的飞毛腿导弹，他们的任务就是找到并摧毁这三枚核导弹。编队出发前，本向上校强烈要求不要让无人机艾迪参与这项任务，因为它可能会威胁到整个编队的安全。而上校则郑重警告本，艾迪是整个试验计划的核心，如果本不想丢掉饭碗的话，就要乖乖服从命令。这些话，正好被停在一旁的艾迪“听”到了。原来在遭到雷击后，艾迪的仿生传感神经网络发生了异变，令艾迪具有了自我意识。
编队出发后，卡拉发现之前获得的情报有误，山谷地区以东方向有大片村庄和农田，如果按照原计划实施空中打击的话，核弹爆炸后产生的放射性尘埃将把这些村庄完全摧毁，而且由于靠近边境，山谷内的盛行风有可能把放射性尘埃吹进盟国巴基斯坦境内，造成严重外交事件。为此，卡拉建议立即取消行动，本和亨利都对卡拉的决定表示支持。然而，肯明斯上校坚决要求编队执行攻击命令。千钧一发之际，本以战场指挥官的身份下令停止进攻，但艾迪却拒绝执行本的命令，“哼唱”着它从网上下载的摇滚乐向目标冲去。为了能把失控的艾迪带回去，本不得不带队去追赶艾迪。最终，艾迪用重磅炸弹摧毁了位于山谷城堡内的核弹，但却引发了放射性尘埃风暴。返航途中，本怒斥艾迪不服从命令的行为，艾迪却完全不以为然，擅自脱离编队，说要继续实施攻击行动，并切断了与中央控制计算机的数据链。
面对失控的局势，怒不可遏的上校一面命令本带领机队找回艾迪，一面让人与艾迪的设计者天斯基博士取得联系。此时，艾迪和尾随而至的三架鹰爪战机已经飞入俄罗斯领空。飞在编队最前面的亨利首先发现了艾迪，他立刻驾机追了上去，艾迪则故意降低高度试图甩掉亨利的追赶。卡拉和本的飞机紧跟在亨利身后进行掩护。亨利试图用自己的三寸不烂之舌说服艾迪服从返航的命令，但艾迪却无动于衷。最后，本不顾肯明斯上校的命令，下令击毁艾迪。亨利随即向艾迪开火。谁知，却不慎落入了艾迪的圈套，由于躲避不及，亨利的飞机撞到了山崖上，瞬间变成了一团爆炸的火球。
眼见战友无端惨死，愤怒的本发誓要击落艾迪，给亨利报仇。只不过，俗话说“祸不单行”，卡拉驾驶的鹰爪2号机的液压控制系统出现故障，无法继续执行任务，只得返航。本只好单人独机去追赶失控的艾迪。
考虑到艾迪的燃料即将用完，必需到位于同温层的巨型漂浮航空燃料补给站加油，上校命令修改了补给站的通行密码，以使艾迪无法获得燃料，同时又把距离艾迪最后出现位置最近的一个补给站的坐标数据传给本，让他前去拦截，顺便也进行油料补给。当本驾机到达的时候，他看到的是补给站上已经损坏的加油漏斗和天空中拖动着的长长油渍，直觉告诉本，这里面一定有问题，但飞机油料即将用尽，他不得不选择从另一个完好的加油口加注燃料。谁知，就在此时，艾迪向幽灵一般从云层里钻了出来，并用机炮引燃了油渍的尾端，成千上万升的航空燃料瞬间便燃烧成一条火带，直接烧向补给站和本的飞机。原来这是艾迪设下的一个圈套，它抢先来到补给站，由于密码失效，无法正常获得燃料，“聪明”的艾迪竟然精准的打掉了一个加油漏斗，直接从燃料管中吸取燃料。加满油后，艾迪便在附近的空域埋伏起来，静待本上钩。危急时刻，本临危不乱，就在大火和爆炸即将吞没补给站和他的座机之前的一霎那，果断驾机脱离加油口，而此时艾迪早已经逃的无影无踪了。
另一方面，卡拉在返航的途中遇到了大麻烦。由于自动导航系统失灵，卡拉只能通过目视的方式驾驶飞行。但随着故障越来越严重，卡拉最终只能选择弃机跳伞。糟糕的是，卡拉跳伞的位置恰恰位于三八线以北地区。虽然侥幸成功着落，但卡拉的行踪很快就被当地驻军发现。一队精干的特种兵携带警犬，开始追踪逃跑的卡拉。途中，一名狙击手射中了卡拉的肩膀，但顽强的卡拉强忍伤痛，继续向南狂奔。
过去数个小时让肯明斯上校几近崩溃，原本只是一个小小的系统故障，但现在不仅损失了两架昂贵的鹰爪战斗机，一名飞行员丧生，另一名飞行员在敌国境内跳伞生死未卜，艾迪和另一家鹰爪战机又去向不明。而更令他震惊的是，艾迪的设计者天斯基博士打电话告诉他，艾迪不久前侵入了美国国防部的内部网络，并盗取了一个攻击位于西伯利亚的俄罗斯核武器试验场的空袭计划。这意味着，如果不能阻止艾迪，就可能引发美俄两国的核大战。为了掩饰自己的重大过失，上校做出了一个令人发指的决定，他打电话到五角大楼，要一直支持他的国防部长设法把情况通知俄国军方，并向俄方提供了艾迪和鹰爪战机的热红外识别信号，想借俄国人之手，杀人灭口。
在贝加尔湖上空，本追踪艾迪进入了俄国的禁飞区，俄防空军的两架Su-27战斗机升空拦截。由于掌握了两架来袭飞机的识别信号，俄军战机处于有利地位。本不得不接受艾迪的建议，联手对付俄国人。很快双方便陷入了近战缠斗。艾迪用超越极限的翻滚机动，打掉了一架Su-27，随即扬长而去。本却在与敌机的纠缠中陷入苦战，最终涉险过关。不想，此时又有一架Su-27从本的背后杀来，并击伤了本的座机。危急时刻，艾迪突然冒了出来，打掉了本背后的敌机，令其平安脱险，但艾迪的机身也在战斗中受损并起火。后来，本略施小计，帮助艾迪灭火，重新赢得了这架高智能无人机的信任。艾迪放弃了之前的攻击计划，答应与本一起返回基地。
本和艾迪生还的消息让控制室里的肯明斯上校更加焦虑。旋即，他又想出一条毒计。他命令本和艾迪马上飞跃俄国领空，到阿拉斯加州的一处私人机场着陆，并说会派技术人员前去接应。虽然听出上校话中有诈，但是此时本和艾迪已经别无选择，只能走一步算一步。
在阿拉斯加的群山中，本驾驶着几乎失控的鹰爪战机紧急迫降。由于起落架故障，本被迫选择危险的机腹着陆，并在飞机几乎冲突跑道尽头的一霎那停了下来。一旁激动的地勤人员跑上前来，向机舱内的本高呼：“欢迎来阿拉斯加！”但接下来发生的事情就不那么美妙了。负伤的本被送到医务室，一个医生模样的人走进来，在给本做了基本检查后，便说要给本打破伤风针。但本从他的眼睛里看出了一丝敌意，便与这个“医生”扭打起来。混乱中，注射器扎到了“医生”身上，“医生”随即倒毙。本这才知道原来破伤风药剂中掺有剧毒，并意识到自己身处危险之中。
与此同时，天斯基博士也已经赶到阿拉斯加。在机库中，天斯基博士详细检查了艾迪的中央控制器，居然发现艾迪已经具有了与人类相似的情感，并拒绝了自行删除、重新格式化的要求。这急坏了站在一旁的喽罗们，有人冲过来要按下删除键，犹豫不决天斯基博士与其发生了争执。恰在此时，本提枪杀到，赶走了一众喽啰，并恳请博士尽快修复艾迪，好让他马上去救人。经过一番努力，本终于坐进了艾迪的驾驶室。一个王牌飞行员加一架高科技人工智能战斗机，双剑合璧，自然威力无穷。最终，他们双双杀出重围，径直向朝鲜半岛飞去，准备去营救迫降的卡拉。
途中，本接通了马什菲尔德舰长的电话，把上校的阴谋合盘托出。得知真相的舰长非常愤怒，带领宪兵前往肯明斯上校的指挥控制中心。当着这位老友的面，马什菲尔德舰长宣布了他的罪行，并要马上逮捕他。已经彻底绝望的肯明斯上校佯装镇定，要舰长给他一点思考的时间，之后便走进盥洗室，举枪自尽了。
与此同时，本驾驶着艾迪沿着铁路低空飞行，逐渐接近半岛分界线处的非军事区。入夜时分，负伤的卡拉也终于逃到了边境哨所附近。由于行动不便，卡拉被边防军发现，随即遭到重机枪扫射，而尾随卡拉的追兵也已经赶了上来，形成前后夹击的态势。危急时刻，本驾驶着艾迪赶到，消灭了阻截的哨所和后来的追兵。本从艾迪的驾驶舱中跳了下来，搀扶起已经筋疲力尽的卡拉，向边境线的另一侧跑去。此时，突然一架苏制米-8武装直升机从后面赶了上了，本和卡拉此时已经无力抵抗。最终，艾迪挺身而出，奋力撞向来袭的武装直升机，与敌机同归于尽。这才让两人转危为安。
几天后，本和卡拉重新登上了林肯号航母的飞行甲板，出席亲密战友亨利的葬礼。仪式结束后，本与卡拉在舰桥上互诉衷肠，相爱的两人终于拥抱在了一起。
作为一部制作精良的军事科幻片，《绝密飞行》向我们展示了未来军用飞机的两个重要技术发展方向——隐身与无人驾驶。
隐身技术是“低可探测技术”（Low Observable Technology）的通俗讲法。这种技术的目的，是通过研究利用各种不同的技术手段来改变己方目标的可探测性信息特征，最大程度地降低对方探测系统发现的概率，使己方目标不被敌方的探测系统发现和探测到。
第二次世界大战之后，随着雷达、声纳、红外探测仪等军事侦查手段的不断发展完善，军事打击行动的秘密性和突然性遭到了极大的抑制。尤其是防空雷达与地空导弹这对金牌组合的出现，令空中侦察与空中轰炸成为极度危险的亡命任务。那么要如何解决这个问题呢？一种办法是打掉雷达，让防空导弹变成瞎子。于是，人们发明了专门对付雷达的反辐射导弹。但问题是携带反辐射导弹的飞机仍然可能被敌方的防空雷达发现，并抢先遭到攻击。所以，根本问题是要让飞机变得难以被发现。这便是隐身技术的精髓所在。而要躲避敌方的雷达侦测，首先就要了解雷达的工作原理。雷达在工作时会发出电磁波，当电磁波碰触到飞机的时候，飞机表面就会反射电磁波。这些反射回来的电磁波又被雷达接收，从而侦测到敌机来袭。因此，只要想方设法，尽可能减弱飞机自身的特征信号，降低对外来电磁波的反射程度，就能有效地把自己隐蔽起来。隐身飞机便是以此为理论依据，采用独特的外形设计和吸波透波材料，以降低飞机对雷达波的反射。最早投入实战的军用隐身飞机是美国的F-117“夜鹰”战斗机和B-2战略轰炸机。对于这些隐身飞机，人们的第一印象往往都是：这样的飞机怎么可能飞起来？事实上，为了最大限度的实现隐身，隐身飞机在外部形态上往往有独特的设计，而要让这样的飞机飞上天，单靠飞机本身的空气动力学结构是不可能的，需要非常完善的计算机辅助飞行系统，帮助飞机在飞行过程中不断调节飞行姿态，保证飞行安全。由此可见，隐身飞机可以说是当今乃至今后相当长一段时间内，人类科学技术的巅峰之作。
相对于隐身技术而言，无人驾驶技术就没有那么高科技了。如今，城市中的大人孩子们经常在玩得遥控航模飞机，使用的就是无人驾驶技术。当然，军用无人机的技术含量比航模飞机要高得多，但基本原理却相差无几。目前，世界各国空军使用的无人机大都采用远程遥控的驾驶方法。但是，《绝密飞行》中的智能无人机艾迪，则为我们展示了另一种崭新的驾驶方式——人工智能驾驶。其实，与这种驾驶方式原理相近的自动驾驶仪早已经广泛运用于民用航空领域。因为民航飞机飞行的航线都是固定的，所以飞机完全可以在计算机的控制下按预定航行自动飞行，飞行员大多数情况下只负责起飞和着陆的操作。但是，军用飞机所面对的操作问题要复杂得多，尤其是在近战格斗过程中，需要飞行员高超的技巧和灵活的反应才能在瞬间即逝的战斗中获胜，这是现有的计算机系统所无法取代的。但是，有人驾驶战斗机也有很大的局限，因为要考虑到驾驶员的生命维持问题，所以现代战斗机放弃了很多极限设计，在一定程度上抑制了战斗机性能的全面提升。况且，有人驾驶飞机参战，就难免会出现伤亡，而派无人机执行军事任务就没有这方面的担心。因而，很多军事专家都认为，随着科技的进步，自主飞行的智能无人驾驶战斗机终究会代替有人驾驶飞机，成为未来空战的主角。
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