垂直起降（vertical takeoff and landing），是指飞机不需要滑跑就可以起飞和着陆的航空技术，从50年代末期开始发展。

1944年，德国巴赫姆Ba 349火箭动力截击机产生，为人类探索固定翼飞机垂直起降创造了契机。1954年，英国Short飞机公司创造了Short SC-1验证机，成为世界上第一架非立式的喷气式垂直起降飞机。同期，法国以幻影III为基础，创造世界上首架超音速垂直起降飞机巴尔扎克V。1967年，世界上第一种实用型垂直/短距起降战斗机鹞式战斗机诞生，是唯一参加过实战的垂直起落战斗机。1968年7月11日，中国空军向军委办事组和国防科委提出了《关于三五期间我国飞机发展问题的建议的几点意见》，明确提出要尽快解决垂直短距起落战斗机的问题。2015年3月20日，中国航空工业集团有限公司成发与中航空天发动机研究院签署了短距起飞/垂直降落飞机项目的风扇部件合作协议。实现垂直起降的方法包括倾转发动机喷口、倾转喷口外加安装升力发动机、倾转旋翼。这些方法中，战斗机主要采用倾转喷口或倾转喷口外加装升力发动机的方式。

垂直起降技术的应用对海军舰船和陆地机场都具有意义，尤其是考虑到海军舰船的狭窄甲板和陆地机场跑道易毁的实际情况。使用垂直起降技术的民用飞机可节省土地使用费用，终端设施的投资也大幅减少，并能提升飞机安全性，减小事故率。

在第二次世界大战期间，机场和航母成为冲突双方的主要目标。为摆脱这一困境，自航空领域的先驱时代开始，人们就不断致力于研制能够像鸟儿一样垂直腾飞的飞机。

在“美苏冷战”时期，对战斗机垂直起降技术的探索首次在美国海军中兴起。20世纪50年代初，朝鲜战争期间，尽管美国海军拥有强大的航母和舰载机力量，但为了在甲板较小的舰船上配置轻型“点防御”战斗机，采用成熟的螺旋桨动力似乎是最迅速见效的途径。

1944年，二战接近尾声。德国在盟军强大的战略轰炸机面前压力剧增。为此，巴赫姆的Ba 349火箭动力截击机应运而生。该飞机通过发射架实现短距/垂直起降机，短时滞空作战后，解体，发动机由降落伞回收。尽管技术简陋，但该机为人类探索固定翼飞机垂直起降创造了契机。1948年，第二次世界大战后美国海军迫切需要一种能从舰船甲板上垂直起降的战斗机。洛克希德·马丁公司和康维尔分别提出了XFV-1和XFY-1方案，搭载艾利森YT40涡桨发动机，驱动两幅反转螺旋桨。XFV-1采用平直翼和“X”型尾翼布局，而XFY-1则是无尾三角翼飞机。两家公司成功制造出原型机，实现了垂直起降。然而，这两款飞机共同存在一个问题：操纵性差，垂直着陆极为危险。因此，这两种方案只制造了一架原型机。

20世纪50年代，法国斯奈克玛公司投入垂直起降飞机研究，推出“甲虫”系列环翼机方案。与XFV-1等不同，“甲虫”系列采用了喷气发动机，独特之处在于环形翼。然而，环形翼在气动分析和制造上较为复杂，而且共同面临立式垂直起降的困难。随着时间推移，法国空军对作战需求的改变使得仅能垂直起落已不足够，立式短距/垂直起降机与常规战斗机性能差异巨大，因此“甲虫”系列退出历史舞台。

1954年，英国肖特飞机公司创造了非立式喷气式垂直起降飞机里程碑。他们首次将4台罗·罗 RB108升力发动机垂直安装在机身中心，同时在机尾水平安装一台RB108作为推进发动机，这创造了Short SC-1验证机，成为世界上第一架非立式的喷气式垂直起降飞机。同期，法国以幻影III为基础，创新将8台RB108发动机纵向分组布置在中机身，形成两列。这一改进称为巴尔扎克V（V指vertical，垂直），成为世界上首架超音速垂直起降飞机。随后，法国研制了幻影III-V型飞机，搭载先进的RB162发动机，推重比达到16：1。在1965年2月首飞，1966年3月首次完成垂直起落到水平飞行的转换。试飞中最高速度达到M204，截至2015年，仍然保持垂直起落飞机的速度纪录。

20世纪60年代，意大利研究了G.95垂直起降战斗机。G.95方案涵盖了从高亚音速强击机到超音速战斗机的多个阶段，但都采用了专用的升力发动机。VAK-191是北大西洋公约组织最轻小的垂直起降战术飞机，为替代Fiat G.91轻型攻击机设计。然而，VAK-191携载能力不足，短距离起落依赖中启动升力发动机，实战不切实际。随着意大利退出合作计划，VAK-191量产计划终止。苏联对垂直/短距起落战斗机也表现出极大兴趣。雅科夫列夫设计局专注于垂直起落战斗机，而米格战斗机和苏霍伊航空集团则在主力战斗机后机体中心处增加机体，搭载2-4台升力发动机，实现了短距离起降。这包括米格-21战斗机PD、米格-23战斗机PD和苏-15VD等战斗机。

20世纪70年代，越南战争导致传统大型航母采购和运营成本过高。在时任海军作战部长朱姆沃尔特海军上将的提议下，美国转向研究“制海舰”概念，计划采用一到两万吨的直通甲板小型航母，搭载垂直/短距起降飞机，以补充大型航母的作战力量。经过综合研究，美国海军选择了洛克威尔自动化公司的XFV-12方案。XFV-12采用罕见的鸭式布局，主翼和鸭翼内的引射增升装置在试验中表现不佳，导致项目超时超支，最终被取消。此外，VJ-101在面对苏联战斗机性能提升方面存在不足，分散部署实际不切实际，北约空军战略调整为集中部署高性能战斗机，导致VJ-101项目取消。随后，研制方EWR转向“先进垂直强击机”（AVS）研究，采用创新的升力发动机设计。然而，由于技术风险和重量问题，AVS项目最终中止。德国与英国、意大利一同投入“多任务作战飞机”（MRCA）研究，发展成后来的“狂风”战斗轰炸机。

20世纪70年代，美国的贝尔公司在同期研制了XF-109（D-188），采用了倾转喷气和专用升力发动机混合设计。与VJ-101相似，XF-109使用了两两一组的翼尖倾转的升力-巡航发动机，座舱后还有两台专用升力发动机，机尾额外搭载两台专用巡航发动机，总共8台通用电气的J85涡喷发动机，其中6台有加力。然而，XF-109仅达到全尺寸模型阶段就被取消，主要由于多发动机造成的成本、维修和可靠性问题。在各种方案中，法国飞机设计师米歇尔·威博特在50年代提出了一项独特的发动机构想：通过延长发动机主轴，驱动四台可倾转的离心式压缩机产生垂直升力，同时通过百叶窗导流板将主发动机喷口剩余推力用于垂直起降。然而，由于当时法国专注于立式短距/垂直起降机的设计，威博特的方案未被采纳。最终，该方案流转到英国布里斯托尔航空发动机公司。随后，英国霍克公司与布里斯托航发公司合作，生产了被命名为BE.53的“飞马”发动机，成为后来鹞式战斗机的动力来源。但英国皇家空军最初将“鹞”式战斗机视为紧急过渡方案，目标仍然是发展超音速垂直起降战斗机。因此，早在“鹞”式服役初期，就开始研究其后继方案，有些达到具体设计阶段，有些仅仅是初步概念。尽管最初只是过渡方案，但“鹞”式战斗机最终成为一代著名的飞机。

1982年12月，苏联雅克-38M原型机由尤里·米第科夫进行了首次飞行，首次参加实战是在阿富汗战争的时候，但其在高温高原地带发动机推力严重不足，飞机起飞困难。它于上世纪70年代开始被部署到了“基辅”级航母上。

中国历史上曾致力于研制短距/垂直起降机。1968年7月11日，空军向军委办事组和国防科委提出了《关于三五期间我国飞机发展问题的建议的几点意见》，明确提出要尽快解决垂直短距起落战斗机的问题。六院根据空军指示，下达了短距起落战斗机的研制课题。1969年初，沈阳飞机设计研究所将短距起落喷气襟翼可变机翼飞机列入专题科研项目。然而，由于技术储备不足，该项目只能作为预研项目。1969年3月2日，中苏边境发生“珍宝岛自卫反击战”，中国进入紧张战备状态。在这一大背景下，601所的预研项目成为重点，同年9月正式下达型号研制任务，代号为“四号任务”，旨在1971年前完成。“四号任务”由于技术和资源限制进展缓慢。1971年“9·13”事件后，歼-8飞机联合指挥部和相关单位向中央和中央军委致信，批评停产歼-8飞机的决定，建议尽快完成设计定型。周恩来总理重视此事，将信转交给相关领导处理。1972年3月25日，“四号任务”领导小组决定将其从国家型号发展计划中剔除，继续作为先期研究科研项目。随后，“四号任务”终止，相应机构撤销。

2015年3月20日，中国航空工业集团有限公司成发与中航空天发动机研究院签署了短距起飞/垂直降落飞机项目的风扇部件合作协议。有分析指出，该部件类似于美国F-35B战斗机上的F135-PW-600发动机所采用的升力风扇部件，标志中国可能重新启动了垂直/短距起降战斗机研发计划。

飞机在飞行过程中需克服两种力：重力和阻力。机翼和尾翼产生的升力平衡重力，而发动机提供的推力克服阻力。正常飞机起飞时，在发动机推动下，通过滑跑克服阻力，当滑跑速度足够大以产生机翼升力超过飞机重量时，飞机离地升空。相比之下，垂直起落飞机无需滑跑，因此不能依赖机翼升力平衡重力，而必须依赖发动机产生向上推力或拉力来实现垂直起降。

实现垂直起降的方法包括倾转发动机喷口、倾转喷口外加安装升力发动机、倾转旋翼。这些方法中，战斗机主要采用倾转喷口或倾转喷口外加装升力发动机的方式，这使得飞机可以使用喷气发动机，从而提高飞行速度，甚至达到超声速水平。

以鹞式战斗机和AV-8B短距起飞/垂直降落战斗机为例，它们采用的英国劳斯菜斯公司研制的“飞马”发动机具备可旋转喷口的涡轮风扇发动机。该发动机有4个可旋转排气喷管，当垂直起降时喷管转向下方，平飞时转向后方，使得一台发动机可以满足平飞和垂直起降的需求。该结构简单而紧凑，于1954年提出，经过多次改型，至1990年初，最新型“飞马11-61”最大起飞推力达到了105千牛，相当于推动约10吨重物的力。

相比之下，雅克-141战斗机、美国F35B联合攻击战斗机等战斗机采用了在倾转喷口之外加装升力风扇的方式。以F-35B为例，主发动机的喷口向下倾转时提供80千牛的推力，升力风扇额外提供89千牛的推力，再加上两个从主发动机压气机引出的总推力17.4千牛的喷嘴，使得F-35B在垂直起降状态下的总推力超过186千牛，相当于“飞马”发动机推力的两倍左右。

此外，还可以采用倾转喷气发动机的方式实现垂直起降。然而，倾转发动机可能产生较大的陀螺力矩，对偏转轴和发动机寿命造成影响。因此，对于涡轮风扇发动机式喷气发动机，偏转喷管更为实用。而V-22鱼鹰式倾转旋翼机等主要用于运输的旋翼机采用的是涡轮轴发动机，其转速相对较慢。

其他垂直起降方式由于可靠性不佳、起降困难等缺点已经被淘汰。

按照牛顿动量原理，飞机获得的升力与桨叶驱动的气流速度平方、桨盘面积、空气密度成正比，即L∞ρSV²（其中 L为旋翼提升力，ρ为空气密度，S为桨盘面积，V为桨叶驱动气流速度）。所需功率与速度立方成正比，即P∞ρSV³(P 为所耗功率)。速度下降一定量有利于降低功率需求。桨盘面积越大，气流速度的值越低，功率需求越低。直升机通常具有大桨盘面积，从而具备最大功率转换优势，这是其广泛应用的主要原因。

直升机面临的主要问题是提高飞行速度困难。直升机飞行速度通常小于400km/h。此外，直升机的旋翼升力需要平衡重力，导致其在整个飞行过程中处于高功率工作状态，限制了航程和续航时间。尾桨事故在直升机飞行事故中占据较大比例，为了减少风险，双层旋翼布局形式受到关注，两层旋翼可相互抵消扭矩。然而，双层桨叶会导致气动效率降低，需要确保足够的间距以避免碰撞，并要求两层桨叶在不同工况下的扭矩设计准确，否则无法实现扭矩平衡。在直升机的新技术中，特殊翼尖设计技术被用于降低翼尖涡的强度，以达到降噪的目的。综上所述，在主要工况为起降的条件下，大直径桨叶的直升机仍具有无法替代的优势。

垂直起降能力对于高速战斗机至关重要，尤其对舰载机飞行员来说。传统高速飞机通常具有有限的机翼面积，导致在起降过程中飞机速度较快，给飞行员带来心理压力。垂直起降技术能够减轻这一压力，同时也使飞机免受机场限制，在实战中具备重要价值。现代战斗机越来越注重垂直起降能力的研发。喷气发动机作为高速飞机的理想选择，具有强大的动力，但要将其转换为垂直起降能力是技术上的挑战。成功案例包括鹞式战斗机和美国F35B联合攻击战斗机飞机，它们解决了向量喷管、涵道风扇动力转换和平衡稳定性等关键问题。美国F-35B的成功表明，拥有强大动力的高速战斗机配备垂直起降技术是未来的发展方向。

倾转旋翼或螺旋桨的垂直起降飞行器旨在结合直升机的垂直起降优势和固定翼的巡航效率与高速飞行特点。这种结合显著提高了飞行器的平飞速度和巡航效率，例如V-22倾转旋翼飞机可实现直升机航程的1.8倍。然而，这类飞行器仍然面临两方面问题：其一，平飞速度仍受限，难以实现超音速飞机；其二，在倾转过程中的稳定性问题是重要挑战，V-22鱼鹰式倾转旋翼机飞机的事故表明了该问题的严重性。因此，转换阶段的稳定性成为国际研究的重点。存在两种倾转旋翼飞机设计，一种只倾转动力（如V-22飞机），另一种动力与机翼一起倾转。各种设计方式取决于应用环境，尤其是对于无人机。总体而言，对于需要垂直起降、高平飞速和高巡航效率的长航程飞机，倾转旋翼或螺旋桨的垂直起降飞行器是不可避免的发展趋势。

涵道动力的飞行器相较于倾转旋翼或螺旋桨动力更具设计灵活性，因为涵道风扇可灵活设置在机身或机翼上以提供直接升力。涵道风扇，又称升力风扇，具有涵道的独特设计，其动力原理在于桨叶高速旋转引起涵道入口处的负压，产生涵道拉力，实际效果显示其拉力甚至超过整个涵道风扇拉力的一半。精心设计涵道外形以及确保叶片与涵道壁间缝隙足够小是实现这一指标的关键。然而，涵道风扇设计需克服侧向风的影响，平衡侧风对气动性能的影响和结构重量之间的矛盾。涵道风扇的桨盘面积相对较小，因而桨叶的直径相应减小，桨尖线速度提高，可使飞行器达到更高的平飞速度，但需要进行变距设计以维持功率转换效率。涵道动力飞行器在垂直起降与平飞转换阶段的稳定性问题需借助飞行控制系统解决。涵道风扇的设计还可利用机身或机翼本身的结构作为涵道，以节省涵道的结构重量。涵道风扇适用于城市环境下的垂直起降飞行器，由于涵道结构对桨叶气动噪声的屏蔽作用，允许飞行器在轻微碰撞中运行。

垂直起降飞行器按照动力方式大致可分为旋翼类飞行器、喷气发动机推力转向飞机、倾转旋翼飞机、尾座式螺旋桨动力飞行器、涵道风扇动力飞行器，此外还有涵道风扇与向量喷管联合应用的飞机，以及其他特殊概念飞行器。还有一类能够垂直起降的飞行器是微型扑翼动力的。

直升机以其高效的动力转换效率在垂直悬停状况下脱颖而出，是最典型的旋翼动力飞机。尽管在提升平飞速度、降低气动噪声和创新旋翼设计等方面有所进展，直升机的基本性态仍未改变，仍是当前应用最广泛的垂直起降飞行器。

美国提出了多种新型旋翼类垂直起降飞行器方案，包括喷气驱动的旋翼、中心轴驱动的旋翼、X形机翼和“差翅亚目”方案。这些方案在飞行稳定性、效率、机构设计等方面存在难题，导致最终计划的终止。这些方案的共同点是，为了克服重力，在垂直起降阶段使用旋翼，然后在平飞时将旋翼锁死成为固定翼飞机，以克服直升机难以提高平飞速度的问题。美国尝试利用变体飞机概念开发具有变形能力的直升机方案，以提高旋翼效率。在平飞时，叶片可以收起在盘式翼面中，有利于提升飞行速度。然而，这种方案面临着变体结构的挑战，而盘式翼的气动效率、阻力配平等方面还存在技术问题，其实用性仍需进一步研究。

鹞式战斗机是英国成功的喷气发动机推力转向的垂直起降飞机，经过英美的不断改进。虽然其在续航和隐身性方面不如现代战机，但专家认为，该机的空中悬停能力在现代空战中仍具有独特优势。苏联的雅克战斗机也是喷气动力下垂直起降飞机的代表，采用辅助发动机协助主发动机垂直起降，在20世纪90年代打破了多项垂直起降飞机纪录。德国在20世纪50年代研制了超声速短距/垂直起降机VJ－101C，与其他垂直起降飞机不同，采用了翼稍发动机倾转设计，类似于后来的V－22倾转旋翼飞机，配套的是英国罗·罗公司专门研制的发动机。美国早期的XFV－12飞机也采用了喷气发动机，但通过引射作用使鸭翼和机翼形成涵道流动，未能提供足够升力。技术含量最高的垂直起降战斗机是美国F-35B战斗机，该机是依靠矢量喷管与涵道风扇结合完成垂直起降。

垂直起降飞机面临最大挑战是在垂直离地，使用旋翼或螺旋桨作为动力在低速飞行时更有优势。它们具有较大的排气面积，从而提高了功率转换效率，尤其在相同功率下通过扩大桨盘面积来降低气流速度。典型的倾转旋翼垂直起降飞行器如美国的V－22“V-22倾转旋翼机”取得了成功，尽管初期发生了多起事故，但“鱼鹰”成为最优秀的垂直起降飞机之一。

美国在完善V－22的同时，美国航空航天局提出了多种倾转螺旋桨方案，包括倾转三个或四个螺旋桨并加固定翼的方案，以及整体机翼带多螺旋桨一起倾转的方案。这些布局具有更宽的重心移动范围和适用于大型或电动力飞机的特点。NASA深入研究并试验了多螺旋桨的设计，适用于大型和电动力飞机，并在某个螺旋桨失效时仍能迫降。倾转旋翼思想还应用于其他设计，如双机身救火飞机，其双机身有利于水上停泊。在20世纪60年代，美国还研制了XC-142A，该验证机采用整个机翼倾转，螺旋桨的滑流有利于提升升力。然而，这种倾转方式需要更大的驱动力，并在垂直起降触地时受到地面风的影响。

倾转旋翼（螺旋桨）动力的飞行器方案通常需要设计和配置较重的倾转机构，这在垂直起降飞行器中是一个挑战。尾座式方案是一种整体倾转的设计，美国航空航天局提出了单人布局，但要求飞行人员具备较高心理素质。在20世纪50年代，美国海军尝试开发了螺旋桨动力的尾座式短距/垂直起降机，采用双螺旋桨动力，但由于多种问题导致研发终止。虽然尾座式方案在大型飞机上存在难度，但对于小型无人机而言是一种不错的选择，因其轻巧、灵活，可在狭小空间进行起降。

涵道风扇利用涵道前缘吸力的原理，相比旋翼和螺旋桨，它在相同桨盘面积下能获得更大升力。近十年来，涵道风扇动力的垂直起降飞行器备受关注，特别是在无人机领域。一些方案采用涵道风扇进行垂直起降，如土耳其的V-22鱼鹰式倾转旋翼机布局倾转涵道风扇，并增加了垂直风扇，扩大了重心变换范围。

小型无人飞行器方面，涵道风扇动力的垂直起降飞行器包括“金眼”无人机和韩国尾推式无人机。大型飞机领域，Bell X-22A倾转四涵道飞机在垂直起降表现良好，澳大利亚设计了一款救火飞机，采用扁平机身结构和对转双桨动力方案。

垂直起降技术广泛作用在飞行器上，美国拥有众多型号的直升机和先进 的V-22倾转旋翼飞机等垂直起降飞机。最早服役的是“鹞”式系列战斗机，是世界上唯一一款参加过大规模作战的短垂飞机。它是一款亚音速作战飞机，该系列飞机从上世纪50年代开始研制，截止2023年仍在服役，被广泛地用于美国海军陆战队、英国皇家空军与海军。在马尔维纳斯群岛战争中，鹞式战斗机是英国赢得马岛战争的最关键因素之一。该型飞机还参加了巴尔干战争和空袭利比亚战争等实战，主要执行对地打击、空中侦察和制空作战等任务。此外，还有由苏联研制雅克-141战斗机飞机，它是世界上第一款超声速垂直起降舰载战斗机；F-35战斗机，是世界上最新型的超声速短距短距/垂直起降机。

从民用角度看，垂直起降技术运用在民用飞机上，在复杂地形环境 执行任务、地震救灾、边远地区急救、缓解城市地面 交通等方面具有很大的应用空间。

空运行业正评估短距离起落和垂直起降飞机的适用性。城市化推动了垂直起降客机的发展，以解决传统运输系统中的阻塞问题。直升机已为机场到城市中心的快速转运提供了最快的解决方案，但安全记录限制了其应用。垂直起降式飞机在设计性能和其他方面表现出色，有望在未来的空运网络中发挥主要作用。

相较于传统的起飞和降落模式，垂直起降/短距离起降飞机具有以下优势：

垂直起降飞机在航空领域具有重要意义。它们适应性广泛，尤其适合岛屿和山地等地区缺乏大型机场的情况。例如，南海岛礁周围海水深，无法建设大型机场，垂直/短距起降飞机的灵活性使得在有限空间内进行起降成为可能，从而为维护海洋权益提供了重要支持。

在维护海洋权益的挑战中，特别是在可能出现中低烈度的局部冲突情况下，大型机场数量不足可能会成为一个问题。在类似南海等地区，少数大型机场可能存在风险并可能出现兵力不足的情况。因此，垂直起降飞机与常规起降战机组合部署，可以更好地缓解这种兵力不足的矛盾，提高航空兵的打击能力。

此外，垂直起降飞机在野战条件下快速部署的能力也非常重要。它们能够灵活地在临时建设的简易起降场上起降，为一线部队提供火力支援，提高在复杂地形和突发情况下的机动性。

在两栖作战和航母编队中，垂直/短距起降飞机同样发挥着重要作用。它们适合部署于轻型航空母舰和两栖攻击舰上，提供局部制空权和近距支援。对于维护海洋权益，特别是在可能进行两栖登陆作战的情景下，垂直/短距起降飞机的应用需求将会愈发重要。

使用垂直起降技术的飞机内在灵活性是其最宝贵的优势。从经济角度看，利用现有机场可显著节省土地使用费用，无需在大城市周围新建机场。终端设施的投资也大幅减少。通过几年运营，垂直起降飞机可通过节省投资来支付研制与运输系统相关的费用。另一灵活性在于可引进受管制的终端区空域。操作优势是垂直起降飞机的第三个潜在优势，低速度着陆设计理论上使得这一操作更轻松。最重要的是，这种设计在起降阶段提供了最大的安全性和最小的跑道事故风险。

无人机在垂直起降领域有更广泛的实用性。小型无人机特别适合展示垂直起降的特点和优势，承担更大的技术风险，因而成为活跃的发展方向。

随着现代城市交通拥堵问题的日益突出，飞行器的三维空间优势将推动垂直起降飞行器在城市环境下的发展。城市环境的独特性和公共安全需求对垂直起降飞行器性能提出了更高的技术要求。

垂直起降飞行器的固有稳定性问题需要通过完善的飞行控制系统解决。飞行器的潜在危险性促使强鲁棒性智能控制技术的发展。随着人工智能技术的迅速发展，与飞行器飞控系统的结合将确保更安全的飞行。一旦达到这种技术水平，智能型垂直起降飞行器将在多个领域获得应用，迎来更广阔的市场发展空间。