在上世纪60年代，鉴于歼-7战斗机的航程短、雷达作用距离短、火力弱的缺点，中国空军要求研制该机后继机，要求该机能有效对抗美国F-4“鬼怪”重型战斗机，并拦截U-2高空侦察机。
601研究所在1964年提出了全新的歼-9战斗机方案，该机围绕着8500/12400千克军用推力/加力推力的WS-6涡扇发动机设计。但由于我国当时尚无研制该级别战斗机涡扇发动机的技术，因此WS-6发动机研制进度落后机身发展。
出于稳妥起见，601所又提出了相当于歼-7双发放大型的歼-8战斗机方案作为备选。1965年5月17日，罗瑞卿批准了歼-8的战技指标和研制任务。1966年8月，中央军委副主席叶剑英批准了歼-9飞机的研制，要求该机最大速度2.4马赫，静升限20000-21000米，最大航程3000公里，作战半径600公里。两个战斗机项目齐头并进同时开展了研制工作，但歼-9的战术技术指标都远超歼-8，并将装备完善的雷达火控系统，具有全天候作战能力，而歼-8基本型仅仅是一种白天型战斗机，因此歼-9的研制难度比歼-8大许多。
601所在1965年对歼-9的气动布局进行了广泛研究，先后推出了歼-9I~歼-9IV四种方案。其中歼-9I和歼-9III采用常规布局后掠翼设计，机翼前缘后掠50度，四分之一弦长后掠55度，两侧进气，气动布局类似米格E50验证机。歼-9II为常规布局三角翼设计，歼-9IV是常规布局双三角翼设计，两个方案同样采用两侧进气。
歼-9项目正式立项后，风洞测试显示有尾三角翼布局并不能保证实现所需的性能和机动性，于是设计团队又提出了歼-9V方案。该方案改用无尾三角翼布局，机翼前缘后掠60度，翼面积62平方米，机身两侧具有二元可调进气口，机头有大型雷达天线罩，雷达罩外形和未来的歼-8II类似。
根据宋文骢回忆，此时设计人员在歼-9的方案设计上发生了一件分歧，争论没有结果，再加上随后文革的开始，歼-9的研制被暂时搁置。直到1969年，中央才决定恢复歼-9的研制，定在成都132厂生产。根据产研结合的原装，歼-9研制团队在1970年5月迁往成都。
1970年6月9日，空军方面要求歼-9进一步提高性能，作战半径达到900-1000公里，最大起飞重量13吨，最大速度2.5马赫，实用升限25000米，也就是“双25”指标。
无尾三角翼的歼-9V显然无法满足“双25”指标，该方案虽然具有超音速阻力小的优点，但起降操纵性能较差。设计团队经过研究后提出在机翼之前增加一个前翼以改善飞机升力特性的方案，于是无尾+前翼布局就此诞生，也就是现在所说的鸭式三角翼布局。鸭翼在大迎角姿态下能产生脱体涡对主翼进行有力干扰，大幅提高主翼升力，彻底解决困扰无尾三角翼布局的起降难题。
现在有说法是歼-9的鸭式布局借鉴了瑞典萨博-37战斗机，其实萨博-37在1970年才刚刚首飞，由于西方对中国的信息封锁，处于文革动荡中的歼-9研制团队不可能借鉴该机的任何设计，所以说该机的鸭式布局完全是我国科研人员的自主创新。
第一个采用鸭式三角翼气动布局是歼-9VI-1方案，具有机身两侧进气口，鸭翼为全动设计，鸭翼前缘后掠55度，翼面积5.7平方米，主翼前缘后掠60度，翼面积50平方米，安装一台加力推力12.5吨的WS-6发动机。风洞测试显示该方案具有优秀的飞行性能与机动特性，于是鸭式布局被国防科委确定为歼-9的基本布局。随后设计团队又研究了机腹进气布局。
但在1970年11月，空军又把指标提升到了“双26”。过高的指标已经严重脱离我国航空工业当年的技术水平，大幅增加了研制难度。为了满足这个苛刻指标，设计团队对歼-9VI-1方案进行了放大，提出两侧进气双发双垂尾重型截击机的歼-9VI-2方案。但设计人员知道，该方案已完全脱离了我国航空工业的实际，不但机身、发动机、机载设备无法满足要求，就连材料、工艺、试验条件都无法保证。
1975年文革结束后，歼-9的研制才步入正轨。当年2月空军颁布的最新性能指标要求该机最高时速2.5马赫、实用升限23000米、航程2000公里、爬升率220米/秒，将挂载4枚PL-4红外或半主动雷达制导空空导弹，火控系统围绕着205型雷达设计，雷达探测距离70公里，跟踪距离52公里。
1975年11月，国家计划委员会拨款制造五架歼-9原型机，计划于1980年末或1981年初首飞。但此后不久由于国民经济的重心转移，歼-9项目被彻底终止。许多人认为歼-9的夭折是被WS-6发动机拖累的，这种发动机的确在研制初期遭遇众多技术难题，进度远落后于计划，但到1980年底时，发动机各部件和总体性能已达到设计指标，达到了装机状态，支持歼-9首飞不成问题。歼-9和强-6的相继下马，这种国产涡扇失去了装机对象，使我国在战斗机涡扇发动机的研制上错过了缩短与世界先进水平差距的机会，甚为可惜。
歼-9下马后，该机的很多技术都被应用在歼-8II的改进上，其开创新的机腹进气鸭式布局也最终被应用在了歼-10上。通过研制歼-9，601所培养了一批赋予创新的科研人才，完全可以这么说，正是歼-9的夭折才孕育了歼-10的成功。
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