垂直起降飞机减少或基本摆脱了对跑道的依赖，只需要很小的平地就可以拔地而起和垂直着陆，所以在战争中飞机可以分散配置，便于灵活出击、转移和伪装隐蔽，不易被敌方发现，出勤率也大幅提高，并且对敌方的打击具有很高的突然性，大大提高了飞机的战场生存率。
- 中文名
- 垂直起降
- 外文名
- vertical takeoff and landing
- 概 念
- 飞机不需要滑跑就可以起飞和着陆
- 开始时间
- 50年代末期
- 类 别
- 航空技术
定义
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这里把飞机的飞行分为三个主要阶段，即起飞、平飞和降落，其中飞机实现起飞和降落的方式就是滑跑方式，所以需要机场跑道。而垂直起降主要指固定翼飞机可以不用借助跑道而在原地就能垂直起飞和垂直降落，可以不用机场跑道，所以一直是航空人士追求的一个目标。一般像直升飞机、气球等的飞行不作为垂直起降来考虑。
背景
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垂直起降技术的诞生主要是因为飞机滑跑起飞方式的不足，特别是在历次战争中的表现，让飞机的垂直起降进入人们的视线。二战及中东战争等战争直接对敌方机场的袭击让人们感受到了需要跑道的滑跑式飞机的不足之处，而冷战则是垂直起降技术的催化剂。二战后的五六十年代，在极有可能爆发核战争的阴影下，人们担心出现核大战对机场造成破坏、常规飞机无法出动的局面，所以催生了固定翼飞机的垂直起降技术。垂直起降飞机减少或基本摆脱了对跑道的依赖，只需要很小的平地就可以拔地而起和垂直着陆，所以在战争中飞机可以分散配置，便于灵活出击、转移和伪装隐蔽，不易被敌方发现，出勤率也大幅提高，并且对敌方的打击具有很高的突然性，大大提高了飞机的战场生存率。
另外，具有垂直起降能力的飞机不需要专门的机场和跑道，这样就省去了昂贵的机场建设费用，不用驱鸟了，也能在恶劣气象条件下起降，好处太多，降低了使用成本，所以飞机的垂直起降成了航空发展的一个方向。
基本原理
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要研究垂直起降技术是怎样实现的，就要知道比空气重的飞机是如何飞行的。飞机飞行需要克服两种力—重力和阻力。重力是由飞机的气动面，即机翼和尾翼产生的垂直升力平衡的；阻力则是由发动机提供的水平推力克服的。正常飞机的起飞过程就是飞机在发动机的推动下，在跑道上克服阻力向前滑跑，机翼在空气中直线平移运动，利用特定翼型和飞行状态产生的空气压差获取升力。随着速度的加快，升力也越来越大，当滑跑速度足够大到使机翼产生的升力大于飞机的重量时，飞机就可以离开地面升空飞行了。由于在一定的条件下飞行的阻力远小于飞机的重量，所以飞机的飞行可以实现以小推力托起大重量，也就是推重比小于1，是一种省力的飞行方式。
从上面可以看出，飞机要想飞行必须克服重力，而垂直起落飞机由于不需要滑跑，就不可能由机翼产生克服重力的升力。那到底如何才能实现在原地的垂直起降呢？只能有两种方法，一种是喷气反作用力，一种是利用空气动力。
喷气反作用力，就是由发动机向下喷气产生的反作用力升力来克服重力实现垂直起降的。办法有三个，一个是偏转发动机的喷管（如英国的鹞式），第二种是直接使用升力发动机提供升力，第三个是前两种办法的组合，同时使用升力发动机和主发动机（如前苏联的雅克）。根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相等，也就是发动机的的推力与升力相等，那么垂直起降时的推重比就得大于1才能垂直起降，与推重比小于1的飞机的飞行相比，这种反作用力升力并不省力，耗能太多，不实用，因此很难推广。
空气动力垂直起降，就是在发动机输出的扭矩力作用下能利用空气动力的装置，比如风扇等，像美国的F-35B的升力风扇就是一种。
多环分级升力风扇但这种传统的旋转式的升力风扇还是问题多多，所以还要对传统风扇进行改进，比如多环分级升力风扇，使风扇超薄，强力，坚固。
平移运动风扇风扇由于是利用与空气的相互作用力（主要是大气压力差，其次反作用力）为垂直起降的升力的，埋植在机翼中，与空气的接触面积大，所以升力强大，油耗较小，是个有前途的发展方向。 [2]
主要类型
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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矢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。
旋翼类垂直起降飞行器
直升机是最典型的旋翼动力飞机，由于其桨盘巨大，使得它成为当前空中悬停状况下动力转换效率最高的飞行器。李成智等系统地回顾了直升机的发展历程。虽然直升机的研究工作方兴未艾，在提升直升机平飞速度、降低气动噪声和创新旋翼设计等方面取得了很大的进展，但是直升机的基本性态没有改变。直升机是当前应用最广泛的垂直起降飞行器。
在新型旋翼类垂直起降飞行器的方案中， 美国提出了多种方案，有利用叶片稍部喷气驱动的旋翼，也有中心轴驱动的旋翼，有四片翼方案（X形机翼），也有两片翼方案（例如“ 蜻蜓” 方案）。从结果看，由于上述方案存在飞行稳定性、飞行效率、机构设计、实施困难等原因，最后计划都终止了。上述方案的共同点是：为了克服重力， 旋翼在垂直起降阶段是旋翼，转为平飞后，旋翼锁死成为固定翼飞机，克服直升机旋翼难以提高平飞速度的难题，这种旋翼角色的变换是它们最大的特点。因此促进了国内相关人员对该类飞机布局的研究，但此类飞行器总体方案中的动力转换问题、过渡段的稳定性问题、旋翼变为固定翼后的气动效率问题是制约它们进一步发展的难题。
旋翼类垂直起降飞行器喷气发动机推力转向的垂直起降飞机
英国“ 鹞” 式战斗机是喷气动力垂直起降飞机的成功范 例，英国和美国对其进行了不断改进。虽然从战斗机先进性方面讲，作为20世纪60年代产物的“ 鹞” 式战斗机，不能要求它在续航能力和隐身方面具有更全面的考虑，但有关空军专家认为，该机型空中悬停的能力即使在现代空战中仍有独特的优势。
苏联的雅克战斗机也是喷气发动机动力下垂直起降飞机的典型机种，其采用专门的发动机帮助主发动机完成垂直起降，在20世纪90年代其打破了12项垂直起降飞机的世界纪录，尽管随着苏联的解体而逐渐退出历史舞台，但是相关的技术研究仍有价值。
德国在20世纪50年代也研制了一款超声速垂直起降战斗机VJ－101C，与“ 鹞” 式和雅克垂直起降飞机不同的是， 其采用了翼稍发动机倾转的设计思想，与后来的V－22倾转旋翼飞机布局是类似的，与 VJ －101C飞机配套的是英国罗·罗公司研制的专门发动机。
战斗机倾转旋翼（ 螺旋桨）动力垂直起降飞行器
垂直起降飞机最大的困难是垂直离开地面，利用旋翼或螺旋桨作为动力在低速飞行时具有很大的优势。因为旋翼和螺旋桨具有比喷气发动机更大的（ 桨盘） 排气面积，按照牛顿动量定律，获得的升力与气流速度平方成正比，而所需要的功率与气流速度的立方成正比，所以在发动机输出功率一定的情况下， 通过扩大桨盘面积来降低气流速度具有更高的功率转换效率。因此，采用旋翼或螺旋桨作为垂直起降的动力具有很好的经济性。由于旋翼和螺旋桨都是以桨叶驱动气流运动，本文将旋翼和螺旋桨动力看作一类。
结构图除了V-22倾转旋翼，美国在20 世纪60 年代还研制了倾转整个机翼的验证机 XC-142A， 该种倾转方式在垂直起降过程中，由于螺旋桨的滑流流经机翼的流线型外形，对提升螺旋桨的升力非常有利。但是，它需要更大的倾转驱动力，并且在垂直起降触地过程中，受地面风的影响很大。
螺旋桨动力的尾座式垂直起降飞行器
倾转旋翼（ 螺旋桨）动力的飞行器方案需要设计和配置倾转机构，倾转机构通常需要较大的重量代价。在垂直起降飞行器中，有一种飞行器整体倾转的尾座式方案，例如NASA提出的单人布局方案，但该种尾座式的单人飞行器需要飞行人员具有很好的心理素质。
尾座式垂直起降战斗机虽然尾座式方案应用于大型飞机有难度，但是对于小型无人机而言则是一种不错的选择。以螺旋桨作为动力的无人机就有许多方案。由于质量轻、尺寸小，它甚至可 以在狭小的空间进行起飞。 [3]
涵道风扇动力的垂直起降飞行器
与旋翼和螺旋桨不同， 涵道风扇利用涵道前缘吸力的空气动力学原理，使得在相同的桨盘面积情况下，涵道风扇可以获取更大的升力。T.C.Nietz等对早期垂直起降飞行器进行了归纳，其中有运用涵道风扇获得垂直起降能力的设计方案， 例如Vanguard-2C垂直起降飞机 和 XV5-B 飞 机。XV-5B飞机的涵道风扇驱动方案是直接利用发动机的高压气流驱动风扇旋转，在近期的方案中仍然采用该种驱动方式。
涵道风扇为动力的垂直起降飞行器在近十年来受到广泛重视，其中一个重要原因是无人机发展的需要。在小型垂直起降无人飞行器方面，人们探索了不同的总体布局方式，例如三涵道布局、以色列飞碟式布局等，但上述 飞行器 与“ 哨兵” 无人机相同，难以具有较高的平飞速度。土耳其也在探索涵道风扇动力的垂直起降飞机， 通过借鉴V-22的布局方式，将倾转旋翼 改为倾转涵道风扇，同时在机身后体增加了一个垂直的涵道风扇，该设计容许 飞机的重心变换范围更宽。
美国的“ 金眼” 也属于涵道风扇为动力的小型无人机，由于其设计目的较为单一，少量的机载系统都安放在涵道壁内部，涵道中导流叶片平衡了风扇的扭矩。类似的涵道风扇动力垂直起降飞行器还有尾座形式。韩国开发了一款涵道尾推式垂直起降无人机，有效解决了飞行器的姿态转换控制问题。
无人机在大型飞 机 方 面， 美 国 最 有 影 响 力 的 是 Bell X-22A倾转四涵道飞 机。在垂直起降阶段，该机具有很好的升力特性， 但是在平飞过程中不够理
想。尽管倾转涵道验证机的研制不顺利，但美国并没有放弃这一思路，在近期的研究方案中还有它的身影。在以涵道风扇为垂直起降动力的大型飞机方面，澳大利亚有一个救火飞机的设计方案，它利用扁平的机身为涵道结构，有利于减轻结构重量，内部动力采取对转双桨的方案消除扭矩。 [4]
民用飞机
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直升机改进版的共享飞机是指德国创业企业E-volo公司日前披露了其双座电动垂直起降（VTOL）“空中出租车”的生产版本——Volocopter2X。2X型是其正在进行飞行试验的VC200原型机的改进版，改进包括能够在几分钟内更换完毕的电池包。
E-volo计划在2018年前对Volocopter2X按照德国创建的“多旋翼直升机”分类下的超轻型飞机进行型号取证。这将允许使用运动飞行员执照驾驶这种电传飞机。一旦取证成功，该公司计划针对德国航空运动市场开始生产。该型飞机还计划作为未来城市空运系统的验证机。E-volo公司称，到2018年经过特殊批准的首架Volocopter2X飞机将作为“飞行出租车”进行试用。
Volocopter2X总重450千克，可携带160千克载荷。最大速度100千米/时，升限2000米。以70千米时速飞行时，最大航程为27千米；以50千米时速飞行时，续航时间为27分钟。该机安装有18副电力驱动螺旋桨，这些螺旋桨安装在机身上方的固定式、蛛网结构上。电传飞控系统能对每副双桨叶、固定安装角螺旋桨进行单独控制，垂直起降时协同动作，滚转、俯仰或偏航动作时分别控制。除多余度飞行控制系统、动力源、航电设备、发动机和旋翼外，Volocopter还带有全机应急降落伞。
Volocopter可以遥控飞行或自动飞行，但受限于当前条例，在首个“空中出租车”计划中E-volo公司预计这架飞机将有人驾驶。E-volo计划为该机用于商业出租飞行获得批准，并计划开发一种四座的型号获得欧洲和美国的认证。 [5-6]
Uber、谷歌和空客都在研发飞行汽车，但是一家德国慕尼黑公司的研发的“飞行汽车”已经完成首次测试，进程之快简直把它们给比了下去。Lilium Jet是全球首架垂直起降的纯电动飞机（VTOL），它的研发者，一家德国创业公司的创始人称，这架飞机的原型机已经在上月首次完成无人驾驶测试，并计划于2019年开始载人飞行测试。
Lilium Jet可以垂直起飞和降落，其最高时速可达300公里/小时(约186英里/小时)，续航里程在300公里（约186英里）。这家德国创业公司由4名工程师和来自慕尼黑理工大学的在读博士生组成，他们称，可载两人的飞机原型已经通过首次测试，但是拒绝透露此次测试的飞行高度、飞行时间等具体数据。
不过，Lilium Aviation称，测试飞行在可视范围内开展，并遵循德国和欧盟的一系列无人机飞行的规定。所以，此次测试飞行的垂直高度并未很高。
Lilium在2015年成立，其联合创始人Sebastian Born称，“测试飞行显示了我们的飞机设计理念达到了预想的效果，它是安全可靠的。现在，我们正在研发五人座的飞机，并计划在2019年开展载人测试。”
这家电动飞机创业公司认为，自家的飞机在迅速发展的“空中出租”市场上站内有一席之地。公司计划首先推出的产品配备驾驶员，但最终想要推出无人驾驶飞机，可以自行接送乘客。
Born强调称：“当人们想到出行方式，一般会想汽车和火车，直升机方便可是噪音和排放物让人受不了，它更加不能当空中出租车，那太吵了，人们不会喜欢，并且它们都很贵。”
“而飞行垂直起降的纯电动飞机，人们只需要飞机执照，不用飞行员执照，并且电动飞机飞机零排放，这都节约了飞行成本。”Born称，“我们的飞行系统比直升机更讲效率，使用电能能加节约飞行成本。” [7]
早在今年 8 月份，空客的内部杂志就透露了公司正在秘密进行一个叫“City Airbus”的空中巴士项目。如今，这家法国航空巨头终于揭开了该项目的神秘面纱——Vahana。
特立独行的法国人，这次给新项目起了个梵语名Vahana，就是印度教中“车辆”的意思。
空客位于硅谷的创新部门A3正在研发一种能够垂直起飞和着陆的八旋翼飞机，两套倾斜翼各有四个电动引擎。机舱外观类似于摩托车驾驶座，可容纳一名乘客。重点是不需要跑道，也不需要飞行员！
因此，如果Vahana顺利实施， 它有望成为第一个获得认证的用于载客和运送包裹的无人机。
该项目的首席执行官罗丹·利亚索夫（Rodin Lyasoff）在博客上透露：“我们正在寻求以一种可预测且可控的方式开通市内航线，实现真正的垂直城市。”在文章中他还提到：
“我们相信，全自动化将使得我们能够最大限度地减少人为错误，达到更高的安全性。我们的飞机将遵循预定的飞行路线，只会因为要避开障碍而产生细微的偏差。”
A3是空客今年开设的部门， 位于加州的技术核心地带圣何塞。空客为其投入了1.5亿美元的启动资金，同时也在寻求新的投资，以加速其研发。
空客预期将在2017年年底前完成一个全尺寸的原型，并在 2020 年时制作出实物。 [8]
共享飞机是指“共享飞机”的应用对于共享农业的发展有着巨大的促进和先导作用。共享农业是一种跨时代的变革，也是分享农业资源，减少浪费的有效途径，这是现代化农业发展衍生出来的一种新的农业模式，共享农业中的共享飞机其实就是将农业从“平面式”向“立体式”发展，即利用各种农作物在生育过程中的“时间差”和“空间差”进行合理组装，精细配套，组成各种类型的多功能、多层次、多途径的高优生产系统。并且在实际运作中考虑到农业发展的市场化、科技化和生态化，以合理分配农业资源，助力“农业4.0”时代的到来。要共享就必须要精准、实时掌握每台机械的基础数据、作业数据，而且要具有远程调度和控制的能力，深圳彼邦智能软件科技公司的“润物”农业大数据系统就为“共享农业”提供了上述至关重要的技术支撑，同时该技术平台还可支持将“共享飞机”扩展到全面“共享农机”。
公司名单
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Terrafugia
Kitty Hawk
Airbus Group
Moller International
Xplorair
PAL-V
Joby Aviation
EHang
Volocopter
Uber
Haynes Aero
Samson Motorworks
AeroMobil
Parajet
Lilium [8]
垂直起降名机
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德国
垂直起降战斗机VJ101、垂直起降运输机Dornier Do 31、垂直起降轰炸机VFWVAK 191b [9]
法国
巴尔扎克V、幻影III-V [9]
英国
英国的“鹞”式（Harrier）就是使用偏转喷管方式的垂直起降飞机。它是由英国霍克·西德利公司于1966年研制成功的 “鹞式”战斗机，该机从1957年开始研制，这种飞机机身中部安装有一台“飞马”式推力转向发动机（“飞马”发动机结构图），前后两对可旋转喷口分别位于机身两侧，相对机身重心保持对称。发动机将从进气道吸入的空气一部分通过前面的两个可旋转喷口喷出，另一部分经过燃烧室和涡轮从后面的两个可旋转喷口喷出，四个喷口喷出的气流共同产生供飞机垂直起降、空中悬停和水平飞行的动力。 [9]
苏俄
雅克-36和雅克141是使用升力发动机和偏转喷口主发动机相结合的垂直起降飞机。飞机的两台升力发动机位于座舱后的机身内，其进气道在机身上部；主发动机装在机身内，喷口在后机身两侧。当飞机垂直起飞时，主发动机的一对可旋转喷口从向后位置转到向下位置，同时升力发动机工作，也是四束喷流提供了飞机的起飞升力。当飞机进入平飞状态之后，主发动机转至向后，升力发动机则停止工作，其进气道关闭。 [9]
美国
X—35是美国最新研制的单座单发战斗机，由洛克希德公司研制生产，1999年首飞，如果能够被美国军方选中，该机将经过约10年的研制和发展计划，以便成为美国空军、海军陆战队、海军和英国皇家海军各自所需的战斗机。该机长13.72米，翼展11米，空重10000—11000公斤，载油量6800— 7200公斤，最大载弹量7700公斤，最大起飞重量23000公斤，作战半径1100公里，动力装置是普拉特·惠特尼公司的 F119—PW—100涡扇发动机。该机有空军型、海军型、陆战队型，其中X—35B战斗机是世界上第一架超音速垂直起降战斗机。 [9]
飞机变迁
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垂直起降
美国联合攻击机(JSF)的备选机型X-32和X-35除有一定隐身能力外，都可以“短距起飞、垂直着陆”。大家可能会奇怪，为什么是“短距起飞,垂直着陆”而不干脆研制“垂直起降”？事实上，这是经历了几十年的风风雨雨才总结出来的，不是人们不喜欢“垂直起飞”，而是以现在的技术水平来说，为此必须付出的代价实在太大，飞机是一种综合平衡多方面照顾的产物，不能为某一特性而过分影响其它方面。 修建机场占地很大、劳民伤财，建造航空母舰要耗资天文数字，且自身是个大目标，摆脱大机场和大航母是有作战飞机以来人们普遍的愿望。20世纪50年代，研制垂直起降作战飞机的要求正式提出了，各国先后试制了数十种垂直起降飞机，其中多数试飞失败甚至机毁人亡。几十年过去了，最终能够批量生产使用的垂直起降作战飞机只有三种：英国的“鹞”式，苏联的雅克-38和美国贝尔/波音公司的V-22军用运输机。
必须说明的是，利用旋翼产生升力来达到垂直起降的飞行器——直升机，因受到旋翼的限制，飞行速度很难超过400千米/小时，几乎是不可能超过亚音速，无法用来与普通的固定翼战斗机相比，作战飞机还是要有较大的固定机翼来产生机动动作时必须的升力，所以设计师们都得另想办法使飞机产生垂直起降时的升力。
技术局限
鹞式垂直起降飞机机动灵活，具有常规飞机无可比拟的优点，但同时也有许多重大的缺点。首先鹞式垂直起降飞机航程短，由于要实现垂直起降，飞机的起飞重量只能是发动机推力的83%-85%，这就使飞机的有效载荷大大受到限制，影响了飞机的载油量和航程。同时，飞机垂直起飞时发动机工作在最大状态，耗油量极大，也限制了飞机的作战半径。“鹞”式飞机的载重量为1060千克时，作战半径只有92公里。所以在实际使用中，“鹞”式飞机尽量使用短距起飞的方式，以延长飞机的航程。因此，垂直起落飞机又称为垂直/短距起落飞机。另外，由于鹞式垂直起降飞机在实战中，经常需要分散在野外，所以它的维护也非常的困难。
垂直/短距起降飞机也是海军青睐的机种，因为舰船上的飞行甲板的长度总是有限的，垂直/短距起落技术就显得尤为实用。装备英国“皇家方舟”号航母的“海鹞 ”就是“鹞”式的海军型。“海鹞”还使用了“斜曲面跃飞”的短距起落技术，通过在航母上安装12度的斜甲板，可以让飞机滑跑跃飞，再利用推力转向，使飞机在推力不足的情况下仍能在空中稳定加速。
世界上服役的垂直起落飞机有英国的“鹞”式系列，美国的AV-8系列、前不久刚试飞成功不久的F-35以及俄罗斯的雅克36等等。俄罗斯还有另外一种编号为雅克141的超音速垂直起落飞机，但是由于没有经费，并没有进入工程发展。
鹞式垂直起降技术虽然不是一个新技术，而且存在一些重大弱点，但是鹞式的优点的确使人无法割舍，这些弱点正在得到明显改善，前景非常值得看好。美国正在发展新一代垂直/短距起降飞机（V/STOL）。随着航空科技的发展，垂直起降技术必将进入一个新的发展高峰。
例如，将会最早服役的F-35B，机身重约27吨，能够携带6吨武器，而且是隐形飞机。在垂直起飞模式下，F-35B可携带武器的重量约为F16、“鹞”式战斗机的两倍，其作战半径约为800千米大约也是F16、“鹞”式战斗机的两倍。在美军中，F-35B战机将取代AV－8B。 [3]
中国垂直起降
2022年7月，我国自主研发的首款垂直起降喷气动力飞行器近日在天津窦庄机场试飞成功。，这款垂直起降喷气动力飞行器使用柴油，机身没有设计旋翼及外部机翼，利用4个至8个小型涡喷发动机作为动力来源，可提供100公斤升力。 [10]
