Uno dei problemi più difficili che gli ingegneri dei veicoli spaziali devono risolvere è quello del rientro nell'atmosfera terrestre. A differenza della maggior parte dei detriti spaziali, che brucia quando incontra l'interfaccia tra l'atmosfera e lo spazio, un veicolo spaziale deve rimanere intatto e fresco durante questo incontro in modo che possa tornare a terra in un unico pezzo. Gli ingegneri devono bilanciare forze potenti nelle loro considerazioni per raggiungere questo obiettivo e prevenire il disastro.

Le dinamiche della decelerazione

Per essere in orbita, in primo luogo, un veicolo spaziale o un satellite devono hanno raggiunto la velocità di fuga. Questa velocità, dipendente dalla massa e dal raggio della Terra, è dell'ordine di 40.000 chilometri all'ora (25.000 miglia all'ora). Quando l'oggetto entra nelle estremità superiori dell'atmosfera, l'interazione di attrito con le molecole d'aria inizia a rallentarlo e il momento perso viene convertito in calore. Le temperature possono raggiungere 1.650 gradi Celsius (3.000 gradi Fahrenheit) e la forza di decelerazione può essere sette o più volte maggiore della forza di gravità.

Corridoio di rientro

La forza di decelerazione e il calore generato durante il rientro aumenta con la pendenza dell'angolo rispetto all'atmosfera. Se l'angolo è troppo ripido, la navicella si brucia e chiunque sia sfortunato di essere dentro viene schiacciato. Se l'angolo è troppo superficiale, d'altra parte, il veicolo spaziale sfiora il bordo dell'atmosfera come una pietra che si muove lungo la superficie di uno stagno. La traiettoria di rientro ideale è una fascia stretta tra questi due estremi. L'angolo di rientro per lo space shuttle era di 40 gradi.

Le forze di gravità, trascinamento e sollevamento

Durante il rientro, una navicella sperimenta almeno tre forze in competizione. La forza di gravità è una funzione della massa della nave spaziale, mentre le altre due forze dipendono dalla sua velocità. Il trascinamento, causato dall'attrito dell'aria, dipende anche da quanto è aerodinamico il mezzo e dalla densità dell'aria; un oggetto contundente rallenta più rapidamente di uno appuntito e la decelerazione aumenta man mano che l'oggetto discende. Un veicolo spaziale con il design aerodinamico adeguato, come lo space shuttle, sperimenta anche una forza di sollevamento perpendicolare al suo movimento. Questa forza, come sa chiunque abbia familiarità con gli aeroplani, neutralizza la forza di gravità, e lo space shuttle lo utilizzava per questo scopo.

Ri-entrate incontrollate

Nel 2012, circa 3.000 oggetti del peso di 500 chilogrammi (1.100 sterline) erano in orbita intorno alla Terra, e tutti alla fine rientreranno nell'atmosfera. Poiché non sono progettati per il rientro, si separano a un'altitudine di 70-80 chilometri (da 45 a 50 miglia) e bruciano solo il 10-40 percento dei pezzi. I pezzi che lo compongono a terra sono in genere quelli realizzati con metalli con punti di fusione elevati, come il titanio e l'acciaio inossidabile. Il cambiamento delle condizioni meteorologiche e solari influisce sulla resistenza atmosferica, rendendo impossibile prevedere con certezza dove atterrare.