短距/垂直起降机

短距/垂直起降机（英文：Vertical and/or Short Take-Off and Landing，简称VTOL）是一种能够垂直或在很短距离内起飞和着陆，甚至可以在狭小场地垂直起降，并能快速飞行、具有典型固定翼飞机特征的一类飞行器的总称。飞机驾驶员通过偏转发动机的喷管或者直接使用升力发动机提供升力，实现飞机的短距/垂直起降。

短距/垂直起降飞机的诞生，最关键的理论突破是“喷气式升力"概念的确立。20世纪20年代，英国著名发动机公司罗罗公司在该理论上进行了研究论证。不过，真正成为“喷气式升力”概念之父的却是范堡罗皇家航空研究中心的创始人——艾伦•阿诺德•格里菲思博士。格里菲思博士率先提出了垂直起落的概念，并通过实际运用促进了这一概念的发展。

就在格里菲思对燃气涡轮发动机展开研究的同时，英国学者弗兰克•惠特尔也开始在一领域进行研究。惠特尔认识到了驱动螺旋桨的活塞式发动机具有很大的局限性。他认为活塞式发动机受到吸入空气量的限制，当飞机爬升时，随着空气密度的减小，高速运转的发动机肯定会受到不利影响，而且螺旋桨随着转速的提高，效率会变得相当低。对于这些局限性，惠特尔给出了解决方案。1929年，惠特尔以《飞机设计的未来发展》为题发表了一篇论文，在论文中他提到如果要提高飞机的效率，那么一种燃气涡轮驱动的螺旋桨发动机，甚至火箭发动机将是更好的选择。

1939年9月14日，美国设计师西科斯基研制出VS-300直升机，标志着人类第一架成功飞行的直升机诞生。

VS-300的诞生给飞机的发展史带来了浓墨重彩的一笔，尤其是从20世纪50年代开始，包括直升机在内的机型开始逐渐换装效率涡轮轴发动机。另外，在直升机构造上极为重要的旋翼材料结构技术也发生了巨大的改进，由最初的金属木翼混合结构改为了金属结构。可以说，在20世纪50年代后期，直升机给军用或者是民用都带来了极大的帮助。不过，随着时代的不断发展，直升机也慢慢暴露出了一些缺陷，比如在激烈的战场情况下生存能力比较低、作战烈度低。同时，直升机的载荷很有限，无法给前线带来充足的火力支持。在此情况下，更先进的飞行器呼之欲出。

短距/垂直起降技术的发展在相当程度上是战争催生的结果。二战期间，同盟国阵营对德国的纵深地带实施大范围轰炸，各大工业城市遭到了严重破坏，包括军事机场在内的重要军事设施在不同程度上都处于瘫痪或半瘫痪状态，德国处于奄奄一息的状态。因此，德军急需一种不需要多长跑道，起飞更加便捷的战斗机，对付盟军的进攻。德国军方的要求是设计出一种起飞快速、且性能优异的战斗机。按照设想，德军打算当盟军轰炸机群经过时，这种战斗机能快速起飞拦截。当然，也不仅仅是德国有这种需求，在二战中后期英国、美国以及苏联都在做相关理论的研究和试验。二战的经验让它们意识到，一旦爆发战争，军用机场最容易受到攻击。而有了垂直和短距起落飞机，可以在相当程度上减少战斗机对于机场跑道的依赖。

世界上第一次短距/垂直起降技术试验，源于英国的“飞行床架"(Flying bedstead)试验。1954 年8月3日，英国罗•罗公司在英格兰的飞机测试场进行了一项史无前例的飞行试验。当天，罗罗的首席试飞员谢菲尔德驾驶飞机缓缓地垂直离开了地面，让现场的观众震惊不已。英国罗•罗公司这次“飞行床架"试验就是短距/垂直飞行器的先驱。

1957年，布里斯托尔公司和英国霍克飞机公司在研的推力矢量发动机取得了进展。所谓的“推力矢量控制”，指的是可以通过改变发动机尾喷流的方向，朝多个方向喷射动力。当然，此项技术的发展也为飞机实现短距/垂直起降提供了可能。

1959年9月，两家公司联合研制的第一台试验发动机首次运转，并命名为“飞马”1。“飞马”1发动机已经可以进行简单的二维矢量偏转，基本上可以满足飞机的短距/垂直起飞。

1960年2月，“飞马”2型发动机首次运转。同年10月，搭载“飞马”发动机的战斗机进行了首次试飞。第一架原型机P.1127 验证机也进行了悬停试验和飞行试验。

1961年9月，第二架原型机换装推力为60千牛的“飞马”发动机，并完成了首次全过渡飞行试验。此次试验的完成，标志着英国对于短距/垂直起降飞机的研发进入到了一个里程碑的阶段。

1961年10月28日，飞机完成了短距起飞试验。值此之际，英国对于短距/垂直飞行器的研发可以说已经基本成功， 它能满足既定的设计要求。

1961年11月初，英国空军看到了此前不断试验P.1127的价值，于是开始向霍克公司订购原型机。此时P.1127已经被命名为“雀鹰”（Kestrel）。霍克把“雀鹰”战斗机的项目正式呈报给英国军方，但是英国却改变主意，要求霍克公司继续对“雀鹰”进行修改。因为当时战斗机已经进入了超音速时代，英国军方要求霍克把P.1127改进成超音速，否则不会进行采购。在此情况下，霍克对“雀鹰”大动干戈的修改，将战斗机机身加长，给发动机的前转向喷管采用喷管加力燃烧（Plenum Chamber Burning，简称PCB）技术，和主发动机的加力推力一起，使飞机达到超音速。修改之后的P.1127战斗机被改名为P.1154，并正式取名为鹞式。

苏联于20世纪50年代开始研制短距/垂直起降技术，1967 年，苏联雅克福列夫研制出雅克-36 战斗机，1970 年7月，雅克-36 战斗机成为“基辅”级航母的舰载机。后来，雅克福列夫设计局在雅克 -36 基础上开发其改良型雅克-36M。雅克-36M于1975年10月24日完成着舰试验，随后正式装备苏联海军，并更名为雅克-38。雅克-38的技战术水平跟当时的鹞式战斗机不相上下。1974 年，苏联开始研发后续机型雅克-141，并在1989 年完成试飞，成为世界上第一款超声速的短距/垂直起降机。不过，苏联解体后雅克-141因为政治、资金等原因研发被迫停滞，而雅克-38 也已经退役，这致使俄罗斯目前没有现役的短距/垂直战斗机。

二战时期，德军为了解决机场跑道被炸的问题开始研制短距/垂直起降技术。德国巴赫姆公司和福克-沃尔夫公司率先开始研制这种飞行器，并研制出 Ba349 火箭动力截击机，这是世界上第一架短距/垂直起降飞机。不过还没有等研制成功投入实战，二战就已经结束。后来，美苏冷战时期，德国又启动了 S/VTOL 战斗机的研究项目，EWR 公司打造的 VJ-101 最终获选。1963年，VJ-101 完成第一次自由悬停飞行，后来经过一系列改进，该机的飞行速度超过了2马赫。但是， 随着战争思想的进一步发展，J-101型飞行最终也遭到淘汰。

美国对于短距/垂直起降研究始于1947年，应美国海军的要求，美国国防部决定利用二战后缴获的德国技术资料研制新型战机。1950年6月，朝鲜战争爆发导致美军在武器研究上面的费用大增。海军航空办公署提出就研究短距/垂直起降飞机可能性问题进行完整地讨论，当时，共有6家公司提出了8项建议。1951年3月，美海军挑选两家公司的方案，一家是康维尔公司的XFY-1项目，另一家是洛克希德公司的XFV-1。康维尔公司接到了三架XFY-1原型机的合同，机号138648的用于静力试验，138649/50则用于飞行试验；洛克希德得到了两架用于飞行的原型机的单子：型号先是XFO-1然后改成XFV-1，机号为138657/138658。但是，美国国内公司的研制情况不太乐观，都没能发展下去。

随后，英国的鹞式战机的成功让美国看到了曙光，美国引进鹞式战斗机，并在该型飞机的基础上研制出来了AV-8B、AV-8C。80 年代末，美国提出“先进短距起飞/垂直降落飞机”(ASTOVL)计划， 90 年代初发展成为“联合攻击战斗机”(Joint Strike Fighter，JSF)计划。20世纪末期，洛马公司的 X-35B项目因技术成熟，被美军方选中得到进一步发展，最终成为著名的 F-35B 战斗机。

中国在短距/垂直起降技术这一领域的研究较晚，20世纪60年代末期中国也曾研制过短距/垂直起降机，当时中苏边境发生了“珍宝岛事件”，随后中国开始备战。此时，林彪指示空军和三机部要除了要发展运输机和直升飞机外，还要尽快研制短距/垂直起降机，这项任务也被命名为“四号任务”。不过，受技术、材料、发动机等诸多因素的限制，研制进度非常慢，后来也就不了了之。

总的来说，短距/垂直起降机历经几十年的艰难发展过程，迄今为止，可以单独研发这类飞机的国家很有限。目前，世界上最具有代表性的短距/垂直起降机主要有三种：英国“鹞”式战斗机、苏联雅克-141战斗机和美国F-35B联合攻击机，其中最先进的就是美国的F-35B。

要实现飞机的短距/垂直起降，需要解决升力问题。目前，综合各国技术的发展情况，主要有三种技术解决方案。第一种是，改变推力方向，飞机起落时偏转喷管或襟翼，产生向上的升力；飞机平飞时，产生向前的推力。第二种是直接使用升力风扇/发动机提供升力；第三种是前两种方法的组合使用，同时使用升力风扇/发动机以及主阀偏转。

英国的鹞式战斗机使用的是第一种是方案。鹞式战斗机机身前后有 4 个可旋转 0°～98.5°的喷气口，这种大幅度的旋转喷口在自由调节的情况下，可以为战斗机提供垂直起落和常规飞行以及战斗状态时所需的动升力和推力。此外，鹞式战斗机的机翼翼尖、机尾、机头都有喷气反作用喷嘴，可以用来控制飞机的姿态和失速性能。

雅克⁃38采用升力发动机与旋转喷口发动机结合的组合方案。它装备一台涡喷发动机和两台升力发动机，主发动机喷射系统使用液压制动的矢量喷管，向下偏转可以提供部分升力，当尾喷管与机身平行时飞机进入巡航模式。同时，升力发动机的尾喷管可以偏转一定的角度，不仅可以为飞机提供升力，还具备控制飞机加速和减速的能力。

美国的F-35B采用了升力风扇垂直推力系统。升力风扇垂直推力系统将F119-611发动机输出的动力分成了四个部分：第一部分是通过涡轮主轴将动力传送给位于发动机前部的风扇装置，由该装置产生向下喷出的气流，从而实现垂直升力；第二部分是通过一个偏转式喷口将发动机燃烧室向后喷出的燃气向下偏转，实现第二个垂直升力；第三、第四部分是通过两个导管将发动机压气机产生的压缩空气分别引至两侧机翼，再通过翼尖上的喷口向下喷出，实现垂直升力。

第一，短距/垂直起降飞机不需要专门的机场，作为作战使用来说，降低了战争成本；第二，短距/垂直起降飞机在整个作战环境中可以分散各地，便于隐藏，可以有效地提高战场生存率；第三，短距/垂直起降飞机可以在比较简易的机场起飞，这在一定程度上可以提高战斗机的出勤率，提高打击效率。

另外，作为特殊的短距/垂直起降舰载机，还可以在海上执行多种作战任务。凭借着航母平台和准航母平台的依托，执行作战任务时，在地面部队登陆滩头阵地后，短距/垂直起降舰载机还可以随地面作战部队逐步向敌纵深推进，并转移到地面简易机场上补给。

短距/垂直起降机的推进系统较好地解决了短距起降问题，但是也产生了一些负面影响。拿英国的鹞式战斗机来说，鹞式战斗机在短距/垂直起降时喷出的废气会被进气口再次吸入导致升力突然下降，甚至熄火，这会带来严重的安全隐患。虽然，美国的F-35B已经解决了一些问题，比如对于废气的处理，F-35的动力系统在设计的时候做了一个单独的升力风扇，风扇置于机身上侧，吸入冷空气向下喷射来提供升力，同时在喷管和发动机进气口之间形成了一个气体屏障，避免废气的吸入。但是，F⁃35B安装升力风扇增大了飞机的起飞重量，而且在飞机进入巡航状态时升力风扇进气口就关闭停止工作了，成为了死重。

随着机载导弹的广泛应用 ， 用中远程导弹攻击敌机时对飞机本身的机动性要求并不高 ， 短距/垂直起降机也能在这样的作战环境中大显身手。但是，就目前的情况来说，现役的短距/垂直起降机的作战能力还有进一步加强的空间，美国现在也在继续努力改善这型飞机的作战能力 。

内部空间设计：相较于常规固定翼飞机，短距/垂直起降机的在设计上面临的最大的问题之一就是内部空间有效利用问题。一方面，短距/垂直起降机的动力系统占据着庞大的空间，因此，在战机设计时需要将战机中间宽敞的舱段腾出来，留给动力系统。比如，F-35B战斗机为了加装升力风扇，只能将主弹舱安置在发动机两侧，进气道改为S型，连一些机电设备也尽可能地安装在不占据动力系统位置的地方。F-35B战斗机的油箱形状也进行了特殊设计，使其能紧密贴合内部构造。另一方面，短距/垂直起降机在内部结构设计上也要充分考虑整合配套设备的问题。目前，一些国家已经在技术上实现了突破，可以将短距/垂直起降机的辅助动力系统和应急动力单元做有效整合，从而让高压气瓶通过存储压缩气体直接驱动动力涡轮实现自启动，减少了辅助动力生成系统的涡轮数量，这样极大地提高了动力系统的工作效率，同时也提升了空间的利用率。

平衡设计：短距/垂直起降机要想实现垂直起飞，除了要发动机提供足够大的推力以外，机身的整体设计上还要满足平衡力要求。目前，各国普遍采用“多点平衡”方案来解决这一问题。英国的鹞式战斗机就是采用“多点平衡”方案，在机身两侧对称布置可旋转喷口。动力系统开始运作时，四处喷口协同用力，可以很平稳地把战斗机抬起来。

气动布局：多数固定翼战斗机在设计的时候，都是让飞机依靠运动过程中机翼产生升力来克服重力的。但是，少数短距/垂直起降机是在起降阶段靠改变气流方向来产生升力，这种方式就是“升力体”气动布局。F-35B就是采用“升力体”气动布局。

短距/垂直起降机最关键的技术，就是其动力系统。与传统军机搭载常规涡扇和涡喷动力系统不同的是，短距/垂直起降机的动力系统需要做两方面的兼顾。一方面，需要为飞机的战斗、巡航、爬升、加速等动作提供一定的推力；另一方面还需要为飞机的短距离起飞和垂直降落提供足够大的升力。也就是说，在短距/垂直起降机工作时，升力风扇进排气门、主发动机辅助进气门、滚转喷管排气门、主喷管舱门等功能门都要打开，同时，升力风扇喷管、滚转喷管以及主喷管向下排气。由于动力系统的设计比较复杂，这就使得对于短距/垂直起降机动力系统的研发显得困难。从英国鹞式战斗机、俄罗斯雅克-141以及美国F-35B三款战机的情况来看，主要应用了三款动力系统。一类是共用型，即起降/巡航共同使用 1 台或多台发动机；二是复合型，即起降用专门升力发动机和升力/巡航发动机，巡航用升力/巡航发动机；三是增强型，即起降用专门的升力部件和升力/巡航发动机，巡航用升力/巡航发动机。

鹞式：鹞式系列飞机采用的动力装置是“飞马”系列推力转向喷口涡扇发动机。这种推力转向喷气发动机经法国人提出之后，由英国人进一步发展。“飞马”发动机在启动的时候，通过 4 个排气喷管产生升力和推力。前面 2 个排气喷管在机身腹部，排放风扇冷气流；后面 2 个构成尾喷管，排放的是涡轮喷出的全部热气流。为控制鹞式战斗机悬停时的姿态， 在机首、机尾及翼尖安装了控制喷管和高压空气导管。此外，针对短距/垂直起落的特殊要求“飞马”发动机在设计时，还采用了排气喷管可旋转的推力换向方案，可用一台发动机既提供升力又提供推力，结构简单、紧凑，短距起落性能好。

雅克-141：俄罗斯雅克-141采用的动力装置是复合型动力。动力配备方式由一台型号为P-79的巡航主发动机，以及两台PД-36喷气式升力发动机前后串列装于驾驶员座舱之后。主发动机装有推力转向装置，推力方向最大偏转角95度，可以帮助战斗机进入机场时降低速度。当飞机垂直起落时，为了避免进气道吸入地面反射的主发动机和升力发动机的燃气流，还在进气道下部两侧设计了两个水平挡板。

F-35B：美国的F-35B采用的是增强型动力装置。由F119-611发动机、轴驱动升力风扇、3 轴承旋转轴对称主喷管和滚转喷管组成。F-35B战斗机后机身配装1台普惠 F135- PW -600型加力涡扇发动机，尾喷管可向下转动，在垂直起降中提供部分升力，发动机最大推力124. 5 kN，加力推力191. 3kN；座舱后方布置1台罗·罗公司的升力风扇，由发动机轴驱动，最大升力 80 kN; 左、右机翼下，各布置 1 个 姿态调节喷管 。

短距/垂直起降飞机的航电系统。比如，美国的F-35B型战机采用了四大关键机载电子系统。分别是英航宇系统公司的综合电子战系统、洛-马公司的光电瞄准系统（EOTS）、诺斯罗普-格鲁曼公司的AN/APG-81有源相控阵雷达和光电分布式孔径系统（EODAS）。其中，光电分布式孔径系统的应用可以让F-35B的驾驶员实现360°的环视。此外，整套航电系统还有对敌方目标进行精确探测和识别，自动跟踪、激光指示、测距和激光点跟踪等功能。

不同短距/垂直起降飞机的座舱，都有自己的设计特色。美国F-35B的座舱专门配备了一套控制飞机进行短距起飞／垂直降落(STOVL)的控制系统。该系统让整个战机的座舱显得十分人性化，无论是胖瘦高矮都能毫无障碍地驾驶F-35B战斗机。

鹞式战机的座舱为增压座舱，座舱高度较低，但前向视野较好，可以满足对地攻击和侦察的要求。同时，也是为了减阻的需要。

英国的鹞式短距/垂直飞机经过多年的研制、改善，逐渐发展出了“海鹞”和“鹞Ⅱ”等系列，成为全世界最为成功的短距/垂直飞机之一。鹞式飞机不仅在英国空海军服役，还出口到美国、西班牙、意大利、泰国、印度，受到各国广泛欢迎。鹞式系列的经典机型包括鹞式GR7、美国在鹞MK50（即AV-8A）基础上的改进型AV-8B等诸多型号。

AV-8B参考数据

1982年4月2日，英国和阿根廷马岛战争爆发，英国海军在这场战争中投入了42架“鹞”式和“海鹞”式战斗机。这也是根据历史记载人类战争史上第一次有短距/垂直飞机参加实战。在与阿根廷的作战中，英国军队近乎以零损失的代价打下了21架阿根廷的战斗机。从这场战争中，不难发现，英国的“鹞”式和“海鹞”式战斗机在当时拥有着绝佳的作战性能。

另外，美国海军陆战队也是鹞式的最大的海外用户，特别是AV-8。在1991年的海湾战争中，美军出动了86 架AV-8飞机参战，累计投下了 600 万磅弹药，总作战时间高达4112小时。在1995年波黑和科索沃战争、2003年伊拉克战争期间，美军的AV-8飞机从海军两栖攻击舰起飞后，帮助地面部队争夺制空权并提供火力援助。进入21世纪以来，美军利用“鹞”式战斗机在中东反恐战争中也有很好的表现。

苏联雅克系列短距/垂直飞机主要包括三款：雅克-36、雅克-38和雅克-141。雅克-36是苏联短距/垂直技术的试验机，虽然没有多大的作战意义，但是在苏联航空史上意义重大。这款机型开启了苏联乃至如今俄罗斯研制短距/垂直飞机的序幕。在雅克-36的基础上，苏联又研发了雅克-38。雅克-38相较于雅克-36的研发比较顺利，这款机型证明了苏联在联短距/垂直技术上的掌握能力，并提升了海军的时机作战能力。在雅克-38的研发经验上，苏联又推出了雅克-141型，新一代的短距/垂直飞机在各项性能指标上均处于世界前列，但苏联解体后该项目也失败了。

雅克系列战机参数

雅克-38是苏联海军航空兵唯一一款服役的短距/垂直飞机，于20世纪70年代被部署到了基辅级航母上。

在美国的主导、多国参与合作的“联合攻击战斗机”(JSF)开发计划里，包括三款机型。分别是空军型的F-35A、海军陆战队型的F-35B和海军型的F-35C型战斗机。海军陆战队型的F-35B是一款短距/垂直起降型战斗机，2007年12月18日，首架F-35B战斗机在得克萨斯州沃斯堡工厂下线，2008年6月首飞，2013年F-35B开始批量服役。2015年7月，美国海军陆战队F-35B形成初始作战能力。据目前资料显示，包括英国、意大利等研发参与国采购F-35B以外，日本、韩国等也在陆续采购F-35B。

F-35B参考数据

2018年9月，美国海军陆战队F-35B型“闪电－II”隐形战斗机当天在阿富汗完成首次实战空袭。

鹞式的准确定位是世界上第一种实用型垂直/短距起降战斗机，在它之前，最早的短距/垂直起降型战斗机设计方案是二战后期德国的垂直起飞截击机Ba349。1944年10月4日Ba349制造完成，1945年2月25日，Ba349进行了有人垂直发射试验，取得成功。德军在二战期间一共生产了36架Ba349，不过，由于二战战败，这个项目最后也没有大规模量产。

德国Ba349参考数据

由于技术发展还有需要攻克的地方，短距/垂直起降机的安全性似乎一直是一个大课题。近些年以来，包括F-35B在内的战斗机频频发生坠机事故。

2022年12月15日，美军一架F-35B战机在得克萨斯州沃斯堡海军航空站联合储备基地发生坠毁，飞行员安全弹射。

2021年11月17日10时左右，英国海军“伊丽莎白女王”号航母，上面一架正在执行作战任务的F-35B“闪电”Ⅱ短距/垂直起降隐身战斗机坠入地中海，飞行员弹射出舱并获救。

2020年，一架F-35B战机在空中加油时，撞上了KC-130J加油机，导致自己直接坠毁。

2016年9月22日下午13时55分，驻日美军一架“AV-8”鹞式战斗机在冲绳附近海域执行任务时坠毁，飞行员在事故发生后获救。

1974年到1980年间，苏联海军的115架雅克-38共发生坠机事故36起。

短距/垂直起降机从诞生到现在经历了几十年的发展，应用最多的还是军事领域。随着技术的进一步成熟和发展，短距/垂直起降技术应该逐渐向民用领域扩散。因为，随着城市化的不断发展，导致城市交通运输、医疗救援、物流运输等方面都出现了一定的运输问题。因此，短距/垂直起降机拥有巨大的民用市场，可以帮助人们提供更多的便捷，将人类的城市交通从传统的二维平面拉伸为一个立体的三维空间。

2021年3月9日，罗罗公司已经就短距/垂直起降机的商用化开始推进了。罗罗公司与英国初创公司垂直航空（Vertical Aerospace）的VA-X4 电动垂直起降（eVTOL）项目可乘坐4名乘客，整个飞机配备了100kW级电动推进装置、配电和监控系统。eVTOL将于2024年完成适航取证。

随着军用飞行器走向无人化的发展道路，传统短距/垂直起降机也需要向无人化迈进。无人机相较于传统的有人短距/垂直起降机来说设计更加灵活，也能承受更大的技术风险。尤其是更加小型的无人机， 可以将短距/垂直起降这一技术的优势充分发挥出来。另外从实际需求而言，短距/垂直起降机无人机可以广泛应用于民用和军用市场，这将是一个非常活跃的发展方向。

目前，波音公司的“幽灵雨燕”、西科斯基飞机公司的“旋翼下洗机翼”等产品，都是短距/垂直起降无人机发展的一个进化方向。

短距/垂直起降机的安全问题一直饱受争议，特别是美国F-35B频繁出现坠机事故，让外界对于短距/垂直起降机的安全性存在疑虑。而要保障短距/垂直起降机固有的稳定性，必须要通过完善的飞行控制系统实现飞机的安全飞行，其中就涉及人工智能技术的进一步应用。未来，短距/垂直起降机的发展需要紧跟人工智能技术的发展并应用其中，以此来保障飞行安全。

虽然短距/垂直起降机有朝向这三个方向发展的趋势，但是，欧洲多国联合推出的“未来空中作战系统”方案，以及美国的下一代战斗机方案，都将短距/垂直起降技术排除在外。

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