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垂直起降(Vertical Take-off & Landing, VTOL)技術，顧名思義就是不需要跑道滾行飛機就可以起飛及降落的技術，此項極為複雜的航空科技於1950年代末起開始發展。
爲何航空工程師們要發展垂直起降技術呢？因具有垂直起降能力的飛機不需要專用的機場與跑道，降低了使用成本；再者垂直起降式飛機只需很小的一塊平地就可以起飛和降落，所以在戰時戰機可分散佈署，便於僞裝使之不易被敵方發現，大大提高了戰機的戰場生存率；由於垂直起降戰機即使在被炸毀的機場跑道上或者是前線簡易機場上也可以升空作戰，所以出勤率也就大幅提高，並且對敵方的攻擊作戰具有很高的靈活性。
我們知道飛機時飛行需要克服兩種力：“重力”及“阻力”。重力是由飛機的氣動力面，即機翼和尾翼産生的升力所平衡；阻力則是由發動機輸出的推力來克服。正常飛機的起飛過程就是在發動機的推動下，克服阻力向前滾行，當滾行速度足夠大到使機翼産生的升力大於飛機重量時，即到達離地速度後飛機就可離開地面升空飛行了。而垂直起降式飛機由於不需要滾行，就不可能由機翼産生平衡重力的升力，所以要發展垂直起降技術，就只能將希望寄託到飛機的動力系統—發動機。垂直起降式飛機就是由發動機提供向上的推力來克服重力，方能進行實現垂直起降作業，這就是垂直起降技術的原理。
垂直起降式飛機産生升力的方式有三個，一是旋轉發動機的噴嘴，第二是直接使用舉升發動機提供升力，第三是將前面兩種方式的整合，同時使用舉升發動機及主發動機。以下為兩種實際應用的産生升力方式，目前已實用化的應用於垂直起降戰機上。
英國航太(BAE)的獵鷹式(Harrier)攻擊機是以旋轉噴嘴方式的垂直起降式飛機，在機身中段裝設一具勞斯萊斯(Rolls-Royce)的飛馬系列(Pegasus)渦輪扇向量推力發動機，前後兩對可旋轉噴嘴分別位於主翼下方的機身兩側，相對於機身重心並保持對稱。發動機將自進氣道吸入的一部份氣流經壓縮機後經前方兩個可旋轉噴嘴噴出，另一部份氣流經過燃燒室及渦輪從後方兩個可旋轉噴嘴噴出，四個噴嘴由噴出的氣流共同産生供航空器垂直起降、懸翔及水平飛行的動力。
俄羅斯的雅克列夫(Yakovlev)Yak-36概念實驗機及Yak-38、Yak-141戰機是使用舉升發動機及旋轉噴嘴主發動機相整合的垂直起降式飛機。飛機的兩具舉升發動機位於座艙後方機身內，其進氣口艙門位於機身上方；主發動機裝置在機身內，噴嘴在後機身兩側。當飛機於垂直升空階段時，主發動機的一對可旋轉噴嘴從朝後位置轉到朝下位置，同時舉升發動機運作，也是四條噴射氣流提供了飛機起飛時的舉升力。當飛機進入平飛狀態後，主發動機尾管的噴嘴向後轉，舉升發動機則停止運轉，其進氣口艙門關閉。
如上述兩種實用化的機種，使用垂直起降技術的飛機運動性相當靈活，具有傳統飛機所無可比擬的優勢，但同時也有許多重大缺陷。由於飛機的首要功能在垂直起降上，飛機的起飛重量被限制在發動機推力的83%至85%範圍內，這就使飛機的有效載重受到大幅度的限制，嚴重影響飛機的內載燃油量及航程，因此航程比傳統飛機短。同時飛機於垂直起降時發動機在最大出力狀態下運轉，所以每分鐘的耗油量極大，也因此限制了戰機的作戰半徑。如以最新改良的英國航太海獵鷹FA. Mk2式(Sea Harrier FA. Mk2)攻擊機為例，其武裝掛載重量爲3,224公斤時，作戰半徑約750公里。所以實際在操作獵鷹式機或海獵鷹式戰機時，操作手冊中規定飛行員必須儘量使用短場(Short Take-off & Landing, STOL)起飛的方式，以節省燃油消耗並延長有效航程。故垂直起降式飛機又稱爲垂直／短場起降(Vertical/Short Take-off & Landing, V/STOL)式飛機。另外由於垂直起降式飛機在實際作戰中時，經常需要在野外分散部署，以提高戰場生存率，所以此類型的式機在飛行線維護作業上非常不容易執行。
垂直／短場起降式飛機也是海軍及海軍陸戰隊航空隊所青睞的機種，因爲船艦上的飛行甲板長度有限，垂直／短場起降技術就顯得特別實用。如部署在英國無敵(HMS Invincible)號、光輝(HMS Illustrious)號兩艘航空母艦的海獵鷹式戰機，就是自陸基版的獵鷹修改而來的航艦用型。海獵鷹式戰機還使用“跳躍起飛”的短場起降技術，透過在航空母艦上安裝傾斜角度12度的滑跳甲板，可使戰機於滾行後跳躍升空，再利用向量推力使發動機噴氣轉向，使戰機在推力不足的情形下仍能在空中穩定加速，此升空方式相當節省燃油消耗。
目前全球仍服役中的垂直起降戰機有英國的獵鷹式╱海獵鷹式系列，英國授權美國生產的AV-8系列以及俄羅斯的雅克列夫Yak-36概念實驗機及Yak-38戰機。俄羅斯還有另一款編號爲Yak-141的超音速垂直起降戰機，使用兩具RD-41舉升發動機及一具R-79V-300主發動機。但由於沒有後續研發經費，至目前為止並沒有進入工程發展階段。
垂直起降技術雖然不是一項新科技，而且存在一些重大弱點，但這項技術的優點的確使技術擁有者無法割捨。美國的聯合打擊戰機(Joint Strike Fighter, JSF)研發計劃中，其中適合海軍／海軍陸戰隊操作的新一代垂直／短場起降戰機，也含在研發計劃內，該計劃獲勝者為洛馬洛馬(Lockheed Martin)X-35A/B/C概念驗證機，計劃進入另一階段並更名為F-35。F-35的機體分為三種型式，分別是空軍的F-35A傳統型式(Conventional Take-Off and Landing, CTOL)，使用普萊特‧惠特尼(Pratt & Whitney)F135-PW-100發動機；陸戰隊的F-35B短場垂直起降型式(Short Take-Off Vertical Landing，STOVL)，使用F135-PW-600發動機；海軍的F-35C航艦用型式(Carrier Version, CV)，使用F135-PW-400發動機。
研製F-35的洛馬公司於JSF計劃初始時，藉著冷戰結束之際由俄羅斯引進Yak-141戰機的驗證及測試資料，將Yak-141的垂直起降概念引進F-35B概念計劃之中。為徹底解決Yak-141吸入高溫燃氣問題，洛馬於是改採置於機身座艙後方，由主發動機驅動巨大的舉升風扇(Lift Fan Undergoing)，這具舉升風扇是由英國勞斯萊斯及美國艾力森公司(Allison)合作研發的，以舉升風扇向下吹冷空氣取得垂直升力，前方高溫燃氣排出的問題就此解決。舉升風扇的噴嘴呈現D字型，噴出的氣流方向可以由垂直向前20度、向後60度，以及左右各8度偏向。
機身座艙後方設有開閉式艙門，可在舉升風扇啟動吸氣時開啟，主發動機中段的一對滾轉控制噴氣道延伸至機內，發動機噴嘴可旋轉朝下，兩者共同噴氣以增加垂直升力。可旋轉式噴嘴是由勞斯萊斯公司負責研製的，相對於水平方向。噴嘴可旋轉向下110度，及對於垂直方向，可以旋轉向前20度的位置。此噴嘴可以控制飛機的俯仰及橫搖的運動，加上機內的滾轉運動控制用噴氣道，滯空盤旋時能後退飛行，改變左右平衡即可水平橫向飛行，使得F-35C概念機如同英國獵鷹式戰機的機動靈活。
洛馬在F-35B型機使用的主發動機是普萊特‧惠特尼(Pratt & Whitney)F135-PW-600型渦輪扇發動機，這是由F-22A戰機使用的F119-PW-100渦輪扇發動機加以改良，並加裝傳動軸而成。於滯空飛行時，主發動機提供35%的升力，舉升風扇則提供45%的升力，主翼接近翼根部噴嘴則分擔20%的升力。
隨著美國F-35聯合打擊戰機計劃的順利推動，也因為F135型發動機的大推力，使得F-35成為實用化的超音速垂直起降戰機，垂直起降技術因此邁入一個新的境界。
爲何航空工程師們要發展垂直起降技術呢？因具有垂直起降能力的飛機不需要專用的機場與跑道，降低了使用成本；再者垂直起降式飛機只需很小的一塊平地就可以起飛和降落，所以在戰時戰機可分散佈署，便於僞裝使之不易被敵方發現，大大提高了戰機的戰場生存率；由於垂直起降戰機即使在被炸毀的機場跑道上或者是前線簡易機場上也可以升空作戰，所以出勤率也就大幅提高，並且對敵方的攻擊作戰具有很高的靈活性。
我們知道飛機時飛行需要克服兩種力：“重力”及“阻力”。重力是由飛機的氣動力面，即機翼和尾翼産生的升力所平衡；阻力則是由發動機輸出的推力來克服。正常飛機的起飛過程就是在發動機的推動下，克服阻力向前滾行，當滾行速度足夠大到使機翼産生的升力大於飛機重量時，即到達離地速度後飛機就可離開地面升空飛行了。而垂直起降式飛機由於不需要滾行，就不可能由機翼産生平衡重力的升力，所以要發展垂直起降技術，就只能將希望寄託到飛機的動力系統—發動機。垂直起降式飛機就是由發動機提供向上的推力來克服重力，方能進行實現垂直起降作業，這就是垂直起降技術的原理。
垂直起降式飛機産生升力的方式有三個，一是旋轉發動機的噴嘴，第二是直接使用舉升發動機提供升力，第三是將前面兩種方式的整合，同時使用舉升發動機及主發動機。以下為兩種實際應用的産生升力方式，目前已實用化的應用於垂直起降戰機上。
英國航太(BAE)的獵鷹式(Harrier)攻擊機是以旋轉噴嘴方式的垂直起降式飛機，在機身中段裝設一具勞斯萊斯(Rolls-Royce)的飛馬系列(Pegasus)渦輪扇向量推力發動機，前後兩對可旋轉噴嘴分別位於主翼下方的機身兩側，相對於機身重心並保持對稱。發動機將自進氣道吸入的一部份氣流經壓縮機後經前方兩個可旋轉噴嘴噴出，另一部份氣流經過燃燒室及渦輪從後方兩個可旋轉噴嘴噴出，四個噴嘴由噴出的氣流共同産生供航空器垂直起降、懸翔及水平飛行的動力。
俄羅斯的雅克列夫(Yakovlev)Yak-36概念實驗機及Yak-38、Yak-141戰機是使用舉升發動機及旋轉噴嘴主發動機相整合的垂直起降式飛機。飛機的兩具舉升發動機位於座艙後方機身內，其進氣口艙門位於機身上方；主發動機裝置在機身內，噴嘴在後機身兩側。當飛機於垂直升空階段時，主發動機的一對可旋轉噴嘴從朝後位置轉到朝下位置，同時舉升發動機運作，也是四條噴射氣流提供了飛機起飛時的舉升力。當飛機進入平飛狀態後，主發動機尾管的噴嘴向後轉，舉升發動機則停止運轉，其進氣口艙門關閉。
如上述兩種實用化的機種，使用垂直起降技術的飛機運動性相當靈活，具有傳統飛機所無可比擬的優勢，但同時也有許多重大缺陷。由於飛機的首要功能在垂直起降上，飛機的起飛重量被限制在發動機推力的83%至85%範圍內，這就使飛機的有效載重受到大幅度的限制，嚴重影響飛機的內載燃油量及航程，因此航程比傳統飛機短。同時飛機於垂直起降時發動機在最大出力狀態下運轉，所以每分鐘的耗油量極大，也因此限制了戰機的作戰半徑。如以最新改良的英國航太海獵鷹FA. Mk2式(Sea Harrier FA. Mk2)攻擊機為例，其武裝掛載重量爲3,224公斤時，作戰半徑約750公里。所以實際在操作獵鷹式機或海獵鷹式戰機時，操作手冊中規定飛行員必須儘量使用短場(Short Take-off & Landing, STOL)起飛的方式，以節省燃油消耗並延長有效航程。故垂直起降式飛機又稱爲垂直／短場起降(Vertical/Short Take-off & Landing, V/STOL)式飛機。另外由於垂直起降式飛機在實際作戰中時，經常需要在野外分散部署，以提高戰場生存率，所以此類型的式機在飛行線維護作業上非常不容易執行。
垂直／短場起降式飛機也是海軍及海軍陸戰隊航空隊所青睞的機種，因爲船艦上的飛行甲板長度有限，垂直／短場起降技術就顯得特別實用。如部署在英國無敵(HMS Invincible)號、光輝(HMS Illustrious)號兩艘航空母艦的海獵鷹式戰機，就是自陸基版的獵鷹修改而來的航艦用型。海獵鷹式戰機還使用“跳躍起飛”的短場起降技術，透過在航空母艦上安裝傾斜角度12度的滑跳甲板，可使戰機於滾行後跳躍升空，再利用向量推力使發動機噴氣轉向，使戰機在推力不足的情形下仍能在空中穩定加速，此升空方式相當節省燃油消耗。
目前全球仍服役中的垂直起降戰機有英國的獵鷹式╱海獵鷹式系列，英國授權美國生產的AV-8系列以及俄羅斯的雅克列夫Yak-36概念實驗機及Yak-38戰機。俄羅斯還有另一款編號爲Yak-141的超音速垂直起降戰機，使用兩具RD-41舉升發動機及一具R-79V-300主發動機。但由於沒有後續研發經費，至目前為止並沒有進入工程發展階段。
垂直起降技術雖然不是一項新科技，而且存在一些重大弱點，但這項技術的優點的確使技術擁有者無法割捨。美國的聯合打擊戰機(Joint Strike Fighter, JSF)研發計劃中，其中適合海軍／海軍陸戰隊操作的新一代垂直／短場起降戰機，也含在研發計劃內，該計劃獲勝者為洛馬洛馬(Lockheed Martin)X-35A/B/C概念驗證機，計劃進入另一階段並更名為F-35。F-35的機體分為三種型式，分別是空軍的F-35A傳統型式(Conventional Take-Off and Landing, CTOL)，使用普萊特‧惠特尼(Pratt & Whitney)F135-PW-100發動機；陸戰隊的F-35B短場垂直起降型式(Short Take-Off Vertical Landing，STOVL)，使用F135-PW-600發動機；海軍的F-35C航艦用型式(Carrier Version, CV)，使用F135-PW-400發動機。
研製F-35的洛馬公司於JSF計劃初始時，藉著冷戰結束之際由俄羅斯引進Yak-141戰機的驗證及測試資料，將Yak-141的垂直起降概念引進F-35B概念計劃之中。為徹底解決Yak-141吸入高溫燃氣問題，洛馬於是改採置於機身座艙後方，由主發動機驅動巨大的舉升風扇(Lift Fan Undergoing)，這具舉升風扇是由英國勞斯萊斯及美國艾力森公司(Allison)合作研發的，以舉升風扇向下吹冷空氣取得垂直升力，前方高溫燃氣排出的問題就此解決。舉升風扇的噴嘴呈現D字型，噴出的氣流方向可以由垂直向前20度、向後60度，以及左右各8度偏向。
機身座艙後方設有開閉式艙門，可在舉升風扇啟動吸氣時開啟，主發動機中段的一對滾轉控制噴氣道延伸至機內，發動機噴嘴可旋轉朝下，兩者共同噴氣以增加垂直升力。可旋轉式噴嘴是由勞斯萊斯公司負責研製的，相對於水平方向。噴嘴可旋轉向下110度，及對於垂直方向，可以旋轉向前20度的位置。此噴嘴可以控制飛機的俯仰及橫搖的運動，加上機內的滾轉運動控制用噴氣道，滯空盤旋時能後退飛行，改變左右平衡即可水平橫向飛行，使得F-35C概念機如同英國獵鷹式戰機的機動靈活。
洛馬在F-35B型機使用的主發動機是普萊特‧惠特尼(Pratt & Whitney)F135-PW-600型渦輪扇發動機，這是由F-22A戰機使用的F119-PW-100渦輪扇發動機加以改良，並加裝傳動軸而成。於滯空飛行時，主發動機提供35%的升力，舉升風扇則提供45%的升力，主翼接近翼根部噴嘴則分擔20%的升力。
隨著美國F-35聯合打擊戰機計劃的順利推動，也因為F135型發動機的大推力，使得F-35成為實用化的超音速垂直起降戰機，垂直起降技術因此邁入一個新的境界。
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