Почему многоразовая пусковая установка SpaceX использует вертикальную, а не горизонтальную посадку?

В двух словах: точные посадки.

В основе всех решений SpaceX лежит желание отправиться на другие планеты, особенно на Марс. Илон Маск считает, что для исследования Солнечной системы чрезвычайно важны точные посадки. Требование точной посадки означает, что вы хотите начать замедлять космический корабль до того, как достигнете поверхности, которая указывает на крылья или ракеты. К сожалению, не каждая луна/планета в Солнечной системе имеет атмосферу, способную поддерживать полет (или, по крайней мере, полет тяжелого самолета с разумной скоростью), что делает ракеты более привлекательным вариантом.

Чтобы услышать, как Маск обсуждает это своими словами, посмотрите его выступление на симпозиуме MIT AeroAstro Centennial Symposium в октябре 2014 года. Он обсуждает крылья против ракет в 4:37 и SpaceX против Boeing (ракеты против подушек безопасности) в 48:15 :

Нет необходимости использовать что-либо, кроме ракет. По той же причине вертолет использует свой двигатель и несущий винт для посадки. Было бы немного нелепо посадить вертолет с парашютами и подушками безопасности, не так ли?

Boeing CST-100 будет использовать парашюты и подушки безопасности для приземления, и Илон Маск высмеял это в интервью, заявив, что его посадка при испытании на падение выглядела как авария и что это не способ посадки космического корабля в 21 веке:

Вертикальная посадка на реактивном двигателе более надежна, чем парашютная, и только добавляет топлива, без дополнительной массы оборудования. Это также экономит взлетно-посадочную полосу и дает полную гибкость при посадке в любом месте в любое время, в том числе на безвоздушных телах. Очевидно, что это лучший способ сделать это. Я думаю, что российская концепция Байкала доводит концепцию горизонтальной посадки до крайности. Добавление реактивных двигателей, крыльев, шасси и многого другого к ракетным ускорителям. Это как поставить ускоритель на обычный самолет.

Может, для сокращения цикла пуска приземлившуюся первую ступень можно было поднять с баржи на посадку вертолетом? Ми-26 способен перевезти 20 тонн на 800 километров; Сухая масса первой ступени Falcon 9 составляет 16 тонн.

SpaceX пытались использовать парашюты для посадки первой ступени, но результаты их не устроили.
Приземление с подушками безопасности более сложное: вам нужно прикрепить парашюты как минимум в двух местах (вверху и внизу сцены). У вас все еще нет точного контроля над местом посадки. Вам нужно приземлиться на баржу, чтобы предотвратить замачивание сцены в морской воде (что добавит много времени для очистки сцены). Посадка баржи требует точного контроля.
Горизонтальное приземление также означает, что вам нужно больше места для приземления: при вертикальном приземлении след в 2 раза превышает длину приземляющихся опор, при горизонтальном приземлении вам нужна площадь не меньше длины сцены.
Подушки безопасности никогда не использовались для посадок такого размера: самые большие подушки безопасности, которые я знаю, были для марсоходов Spirit и Opportunity. Для Curiosity НАСА переключилось на силовую посадку, потому что они не думали, что смогут заставить работать подушки безопасности. Первая ступень Falcon 9 как минимум в 10 раз тяжелее Curiosity.

Добавляя к преимуществам, которые упоминали другие...

Давным-давно глава ныне давно несуществующего проекта ROTRON прокомментировал, что «Крылья — самая дорогая форма восстановления», а затем объяснил, что, используя «вертолет с ракетным двигателем» для части подъема в атмосфере, они эффективно доставляли набор. крыльев на орбиту с нулевой чистой стоимостью энергии, чтобы они могли использовать их для спуска. Если ваши крылья «пойдут в путь», не «окупая свой путь», как это сделали крылья ROTRON, они представляют собой чистый расход в массовом бюджете. Восстановление 1-й ступени не требует вывода вашего спускаемого аппарата на орбиту, но все же требует затрат на орбитальную полезную нагрузку. Учитывая, что орбитальная полезная нагрузка в процентах от стартовой массы обычно находится в диапазоне 1-5%, каждый сэкономленный килограмм помогает. (Каждый сэкономленный фунт тоже помогает :-)).

Стоимость использования топлива вместо крыльев, парашютов, подушек безопасности и т. д. — это немного больший бак, требуемая масса топлива и, возможно, дополнительная надежность двигателя и срок службы.
Те, кто шел по этому пути, всегда утверждали, что выгоды перевешивают затраты.
Но тогда они будут :-).

Прирост составляет процент полезной нагрузки плюс все, что перечислили другие.

Ракеты, приземляющиеся обратно вертикально в результате серии ретро-ожогов, являются критическим моментом в программе повторного использования SpaceX. Более того, их программа пилотируемых космических полетов основана на концепции точечных двигателей. Ряд других компаний работает над атмосферным возвратом. Все они используют для окончательного спуска те же органы управления, что и при всплытии, — векторное доверие, обычно с помощью двигателя на карданном подвесе. Такая схема была очень популярна в старых научно-фантастических фильмах — приземление — это просто подъем в обратном направлении.

Практической причиной для следования такой интуитивной идее является привлекательная возможность восстановить существующие ракеты с минимальными модификациями.

Руководство SpaceX было уверено, что надежное восстановление ракетных ускорителей находится в шаге от демонстрации управляемого висения и спуска. На практике оказалось сложнее. Испытательные полеты многоразовой ракеты-носителя в более реалистичных условиях - выход с суборбитальной траектории выявили ряд проблем. Были внесены значительные изменения в первоначальную концепцию, но успех остается недостижимым.

из научно-фантастического фильма Defa 1960

Современные ракеты-носители строго оптимизированы для осевых нагрузок при вертикальном запуске. Хотя любая попытка использовать систему, разработанную и доработанную для конкретной цели (вертикальный подъем) для совершенно другой (вертикальный спуск), непременно вновь столкнется с основными проблемами, уже решенными при разработке первичного применения. Для обеспечения точной вертикальной посадки ракет, предназначенных для полета против цели или для запуска космических аппаратов, необходимо будет переосмыслить и, возможно, перерешить основные проблемы реактивного полета, чтобы они соответствовали новым возникшим требованиям.

Спор между горизонтальной и вертикальной посадкой многоразовых транспортных средств велся между известным космическим историком Генри Спенсером и Митчеллом Бернсайдом Клэппом, которые работали как над программами DC-X, так и над X-33:

http://yarchive.net/space/launchers/horizontal_vs_vertical_landing.html

Скорее всего, Маск согласен с преимуществами вертикальной посадки из-за минимальных дополнительных модификаций ракеты.