VTOL: Vertical Take-Off and Landing Aircraft
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飞机是奇妙的东西。它们在空中飞行，以极快的速度将人和货物运送到世界各地。然而，它们也有一些缺点。为了起飞和降落，飞机需要大量的土地作为跑道。因此，一个多世纪以来，航空工程师一直在努力创造一种既拥有飞机所有优点，又能像直升机一样起飞和降落的飞行器……他们已经做到了一定程度。

在本期《每日环球》节目中，了解更多关于垂直起降飞机及其设计挑战的信息。嘿，我是瑞恩·雷诺兹。新年到了，你知道这意味着什么吗？不，不是节食，是新年计划。

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如果你看过城市的卫星图像，你通常可以很容易地找到机场，无论城市大小如何。这是因为机场和跑道非常大。大型飞机需要长长的跑道。机场和跑道如此之大，通常必须建在城市郊区。所有这些都是因为飞机的工作方式。它们拥有巨大的发动机来提供推力，然后利用机翼在达到足够高的速度后提供升力。

莱特兄弟的第一次机械化飞行就是这样工作的，今天大多数飞机仍然是这样工作的。然而，自从航空业诞生以来，飞行员们一直在思考，他们是否可以在不使用长跑道的情况下起飞和降落。他们想象着垂直飞入空中，或者至少使用更短的跑道的可能性。朝着这个方向迈出的第一步是自动旋翼机的研制。

自动旋翼机是一种旋翼机，它使用无动力、自由旋转的旋翼来提供升力，并使用传统的发动机驱动螺旋桨来提供前进推力，使其能够在短距离内起飞，但需要前进运动才能保持空中飞行。虽然它们可以在短距离内起飞并几乎垂直降落，但它们仍然需要一些前进运动，并不是真正的垂直起降飞机。

真正的垂直起降是随着第一架可控直升机的出现而实现的。它是由伊戈尔·西科尔斯基研制的，他的VS-300原型机于1939年推出了现在标准的主旋翼和尾旋翼稳定装置的配置。直升机解决了一个问题，但它也有许多局限性。虽然直升机具有高度的机动性和悬停能力，但它们在速度、航程和有效载荷方面存在明显的缺点。

有史以来速度最快的量产直升机只能达到约400公里/小时或250英里的速度。同样，大多数直升机无法在超过10,000英尺的高度和非常有限的范围内运行。垂直起降飞机，也称为VTOL，旨在结合固定翼飞机和直升机的最佳方面。VTOL发展最大的驱动力之一是军事需求。

在冷战期间，军事规划者认识到，在潜在冲突中，跑道是高度脆弱的目标。传统的战斗机和轰炸机需要长而维护良好的跑道，这使得它们容易受到敌人的攻击。另一方面，垂直起降飞机可以从小型的简易机场、道路甚至船舶上运行，从而大大提高了它们的生存能力。追求VTOL发展的另一个原因是需要提高航程和燃油效率。

直升机在长距离飞行中效率非常低，因为它们完全依靠主旋翼来提供升力，这需要持续的动力。然而，固定翼飞机利用机翼更有效地产生升力，从而减少了总能耗。直到第二次世界大战结束后，VTOL的发展才受到重视。最初的设计概念被称为“尾坐式飞机”。

尾坐式飞机是一种VTOL设计，它以垂直位置起飞和降落，静止时尾部着地，一旦空中飞行就过渡到水平飞行。这些飞机配备了强大的发动机或螺旋桨，能够产生足够的推力，使其直接从地面起飞。一旦空中飞行，它们就会逐渐向前俯仰，进入水平飞行，在那里，传统的空气动力学表面（如机翼和尾翼）接管升力和稳定性。

对于着陆，飞机反向操作，向后倾斜到直立位置，并垂直降落到尾部。在20世纪40年代末和50年代初，开发了几种早期的尾坐式飞机模型，主要作为探索新型VTOL能力的实验性军事项目。最早的例子之一是Convair XFY Pogo，这是一款美国海军原型机，由涡轮螺旋桨发动机和大型反向旋转螺旋桨提供动力。

Pogo设计用于在无需跑道的小型船舶上运行，它证明了尾坐式飞行的可行性，但在过渡阶段难以控制。另一个值得注意的设计是洛克希德XF-V Salmon，它采用了类似的VTOL概念，但它使用了更传统的外形机身和双垂直稳定器，在水平飞行中变成水平的。

Ryan X-13 VertiJet是由Ryan Aeronautical公司研制的一款实验性喷气式尾坐式飞机，它进一步探索了纯喷气推进系统的概念。它成功地展示了垂直起飞、过渡和着陆，但精确控制和飞行员视野的操作挑战使其不适合军事用途。最独特的设计之一是法国制造的Coleopterre。

这是一款实验性的尾坐式VTOL飞机，设计用于垂直起飞和降落，同时使用环形机翼结构过渡到水平飞行。在这里我应该指出，从垂直飞行到水平飞行的过渡将成为每种VTOL设计的重大问题。只要有足够的动力，垂直起飞并不难。同样，只要有速度，水平飞行也不是问题。

然而，从垂直飞行到水平飞行却是一个非常具有挑战性的问题。下一个重大设计是倾转旋翼机。倾转旋翼机是一种VTOL飞机，它使用旋转发动机或旋翼组件在垂直飞行和水平飞行之间过渡。在起飞和着陆时，旋翼垂直定位，像直升机旋翼一样产生升力。

一旦空中飞行，发动机就会逐渐向前倾斜，使飞机过渡到传统的固定翼飞行，其中升力主要由机翼而不是旋翼产生。这种设计结合了直升机的垂直起降能力以及涡轮螺旋桨飞机的速度、航程和效率，使倾转旋翼机特别适用于军事和运输应用。

最早的倾转旋翼机概念之一是Bell XV-3，它于20世纪50年代由Bell Aircraft公司研制。它作为倾转旋翼机概念的试验台，成功地展示了垂直飞行和水平飞行之间的过渡，但其技术尚未成熟到可以投入使用。另一个早期的设计是加拿大航空CL-84 Dynavert，这是一款于20世纪60年代研制的倾转翼飞机，其特点是整个机翼旋转以实现垂直飞行。

虽然它在测试中表现良好，但从未投入批量生产。最重大的突破是Bell XV-15，这是一款于20世纪70年代研制的实验飞机，它完善了倾转旋翼机技术，证明了其用于作战飞机的可行性。到20世纪70年代末，关于倾转旋翼机的一切仍然是实验性的。还没有倾转旋翼机投入批量生产。

美国军方认识到直升机的局限性，特别是它们相对较慢的速度和较短的航程，这使得它们在作战区域容易受到攻击，并且在长途行动中效率低下。1980年“鹰爪行动”的失败（这是一次旨在营救在伊朗的美国人质的直升机行动）突显了这些弱点，并加速了对能够结合直升机垂直升力和涡轮螺旋桨飞机巡航速度的飞机的需求。

这一需求导致了20世纪80年代初启动的联合军种垂直起降实验计划，贝尔直升机和波音公司合作开发了最终成为V-22鱼鹰的飞机。V-22在其设计和测试阶段面临着许多工程和发展挑战。

最困难的方面之一是完善倾转旋翼机构，这需要复杂的工程才能在直升机和飞机模式之间平稳过渡，同时确保稳定性和控制性。早期的原型机遭受了严重的机械故障和软件问题，导致了几起备受瞩目的坠机事故。1991年，一架早期的鱼鹰原型机由于液压系统故障坠毁，造成几名机组人员死亡。

1992年的一起坠机事故进一步引发了对安全性和可靠性的担忧，导致了广泛的重新设计和系统大修。最具破坏性的事故发生在2000年，当时一架V-22在训练演习中坠毁，造成19名海军陆战队员死亡。调查显示，飞行控制软件和飞行员训练存在问题，导致进一步的延误和广泛的修改。

该飞机复杂的倾转旋翼系统使其在机械上错综复杂，维护成本高昂，即使投入使用后，维护成本和可靠性问题仍然存在。此外，F-22还面临着一种叫做涡环状态的问题，这是一种危险的空气动力学状态，在某些飞行条件下会导致升力损失，导致了过去的事故。

尽管发展过程充满坎坷，但F-22鱼鹰最终在2007年宣布投入使用，此后已成为美国海军陆战队、空军和海军的关键资产。它已广泛用于战斗和人道主义任务，证明了其在快速部署部队、医疗后送和远程特种作战方面的价值。有一款民用倾转旋翼机正在寻求获得民用许可，即莱昂纳多AW609。

它已经研发了20多年，希望最终在2025年获得商业用途的认证。还有一种VTOL飞机已投入实际使用。直接升力喷气机。直接升力喷气机在许多方面更容易设计。它们不需要复杂的倾斜机构，发动机在飞行时不需要移动。

你所做的只是将喷气式排气向下而不是向飞机后方重新定向。20世纪50年代的几项早期实验设计，如劳斯莱斯推力测量装置和短SC-1，都是为了测试使用喷气发动机的垂直升力而开发的。但由于高油耗和控制困难，大多数都是不切实际的。鹞式跳跃喷气机成为第一款成功的作战型直接升力喷气机，并且仍然是有史以来最具标志性的VTOL飞机之一。

鹞式飞机由英国霍克·西德利公司于20世纪60年代研制，设计用于无需大型机场运行，使其高度适应陆地和海军行动。其VTOL能力的关键是劳斯莱斯设计的Pegasus涡扇发动机，它使用四个矢量喷嘴将推力向下定向以进行垂直起飞和着陆，然后通过将推力向后重新定向逐渐过渡到水平飞行。

与之前的VTOL喷气式飞机设计（在平衡和机动性方面存在困难）不同，鹞式飞机使用反作用控制喷嘴在悬停期间进行微调，从而大大提高了其操控性。鹞式飞机开始装备皇家空军，后来装备美国海军陆战队，在那里它成为近距离空中支援、侦察和海军打击任务的关键资产。

它在战斗中得到了广泛的应用，最显著的是1982年的马岛战争，它能够在短跑道和航空母舰上运行，这给了英国军队决定性的优势。尽管取得了成功，但鹞式飞机也面临着一些挑战，包括飞行员工作量大、维护复杂以及VTOL模式下的燃油效率低。

这些局限性导致了持续的发展，从而产生了更先进的变体，例如由麦克唐纳·道格拉斯和英国宇航公司联合开发的AV-8B鹞式II，它具有改进的航空电子设备、更大的有效载荷能力和更强大的发动机。VTOL飞机仍在不断发展。最新型飞机之一是洛克希德·马丁F-35B闪电II。

洛克希德·马丁F-35B闪电II是一款第五代多用途隐形战斗机，设计用于短距起飞和垂直着陆，使其成为现存最先进的VTOL飞机。F-35B作为F-35联合攻击战斗机计划的一部分而研制，旨在取代鹞式跳跃喷气机等老式飞机，在保持在小型航母和小型机场运行能力的同时，提供改进的隐身性、航空电子设备和作战性能。

F-35项目将是未来一期节目的主题。垂直起降飞机已经从实验设计发展到成为军事和民用应用中的主要支柱。创新不断突破界限，这意味着它可能将成为军事用途的永久性装置，并且将来可能在民用领域得到更广泛的应用。

《每日环球》的执行制片人是查尔斯·丹尼尔。副制片人是本吉·朗和卡梅伦·基弗。我要向所有在Patreon上支持节目的观众表示衷心的感谢，包括节目的制片人。你们的支持帮助我每天都能制作节目。此外，Patreon目前是唯一一个向顶级支持者提供《每日环球》商品的地方。

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