Jedním z nejobtížnějších problémů, které musí inženýři kosmických lodí vyřešit, je opětovný vstup do zemské atmosféry. Na rozdíl od většiny vesmírných trosek, které hoří, když narazí na rozhraní mezi atmosférou a vesmírem, a kosmická loď musí během tohoto setkání zůstat neporušená a v pohodě, aby se mohla v jednom vrátit na zem kus. Inženýři musí ve svých úvahách vyvážit silné síly, aby dosáhli tohoto cíle a odvrátili katastrofu.
Dynamika zpomalení
Aby mohla být kosmická loď nebo satelit na prvním místě, musí dosáhnout únikové rychlosti. Tato rychlost, v závislosti na hmotnosti a poloměru Země, je řádově 40 000 kilometrů za hodinu (25 000 mil za hodinu). Když objekt vstoupí do horních končetin atmosféry, třecí interakce s molekulami vzduchu ho začne zpomalovat a ztracená hybnost se přemění na teplo. Teploty mohou dosáhnout 1650 stupňů Celsia (3000 stupňů Fahrenheita) a síla zpomalení může být sedmkrát nebo vícekrát větší než gravitační síla.
Koridor pro opětovný vstup
Síla zpomalení a teplo generované během opětovného vstupu se zvyšují se strmostí úhlu vzhledem k atmosféře. Pokud je úhel příliš strmý, sonda shoří a každý, kdo má tu smůlu, že je uvnitř, je rozdrcen. Pokud je úhel naopak příliš mělký, kosmická loď sklouzává z okraje atmosféry jako kámen, který se pohybuje po hladině rybníka. Ideální trajektorií opětovného vstupu je úzké pásmo mezi těmito dvěma extrémy. Úhel opětovného vstupu pro raketoplán byl 40 stupňů.
Síly gravitace, přetahování a zvedání
Během opětovného vstupu zažije kosmická loď nejméně tři konkurenční síly. Gravitační síla je funkcí hmoty kosmické lodi, zatímco další dvě síly závisí na její rychlosti. Tah, který je způsoben třením vzduchu, také závisí na tom, jak efektivní je plavidlo, a na hustotě vzduchu; tupý objekt zpomaluje rychleji než špičatý a zpomalení se zvyšuje, jak objekt klesá. Kosmická loď se správným aerodynamickým designem, jako je například raketoplán, také zažívá vztlakovou sílu kolmou na její pohyb. Tato síla, jak ví kdokoli, kdo je obeznámen s letadly, působí proti gravitační síle a raketoplán ji pro tento účel využil.
Nekontrolované opětovné vstupy
V roce 2012 bylo na oběžné dráze kolem Země zhruba 3000 objektů o hmotnosti 500 kilogramů (1100 liber) a všechny nakonec znovu vstoupí do atmosféry. Protože nejsou určeny k opětovnému vstupu, rozpadají se v nadmořské výšce 70 až 80 kilometrů (45 až 50 mil) a všechny kromě 10 až 40 procent kusů shoří. Kusy, které se dostanou na zem, jsou obvykle ty, které jsou vyrobeny z kovů s vysokými teplotami tání, jako je titan a nerezová ocel. Měnící se počasí a sluneční podmínky ovlivňují atmosférický odpor, což znemožňuje s jistotou předpovědět, kde přistávají.