Eines der schwierigsten Probleme, die die Ingenieure von Raumfahrzeugen lösen müssen, ist der Wiedereintritt in die Erdatmosphäre. Im Gegensatz zu den meisten Weltraummüll, der beim Auftreffen auf die Grenzfläche zwischen Atmosphäre und Weltraum verglüht, a Raumschiff muss während dieser Begegnung intakt und kühl bleiben, damit es auf einmal zum Boden zurückkehren kann Stück. Ingenieure müssen in ihren Überlegungen starke Kräfte ausbalancieren, um dieses Ziel zu erreichen und eine Katastrophe abzuwenden.
Die Dynamik der Verzögerung
Um überhaupt im Orbit zu sein, muss ein Raumfahrzeug oder ein Satellit eine Fluchtgeschwindigkeit erreicht haben. Diese Geschwindigkeit, abhängig von Masse und Radius der Erde, liegt in der Größenordnung von 40.000 Kilometern pro Stunde (25.000 Meilen pro Stunde). Wenn das Objekt in die oberen Extremitäten der Atmosphäre eintritt, beginnt die Reibungswechselwirkung mit Luftmolekülen, es zu verlangsamen, und der verlorene Impuls wird in Wärme umgewandelt. Die Temperaturen können bis zu 1.650 Grad Celsius (3.000 Grad Fahrenheit) erreichen, und die Kraft der Verzögerung kann sieben oder mehr Mal größer als die Schwerkraft sein.
Wiedereintrittskorridor
Die Bremskraft und die beim Wiedereintritt erzeugte Wärme nehmen mit der Steilheit des Winkels gegenüber der Atmosphäre zu. Wenn der Winkel zu steil ist, verbrennt das Raumfahrzeug und jeder, der das Pech hat, darin zu sein, wird zerquetscht. Ist der Winkel dagegen zu flach, streicht das Raumfahrzeug über den Rand der Atmosphäre wie ein Stein, der über die Oberfläche eines Teichs streicht. Die ideale Wiedereintritts-Trajektorie ist ein schmales Band zwischen diesen beiden Extremen. Der Wiedereintrittswinkel für das Space Shuttle betrug 40 Grad.
Die Kräfte der Schwerkraft, des Widerstands und des Auftriebs
Beim Wiedereintritt erfährt ein Raumfahrzeug mindestens drei konkurrierende Kräfte. Die Schwerkraft ist eine Funktion der Masse des Raumfahrzeugs, während die anderen beiden Kräfte von seiner Geschwindigkeit abhängen. Der Luftwiderstand, der durch Luftreibung verursacht wird, hängt auch davon ab, wie stromlinienförmig das Fahrzeug ist, und von der Luftdichte; ein stumpfer Gegenstand verlangsamt sich schneller als ein spitzer, und die Verzögerung nimmt zu, wenn der Gegenstand absinkt. Ein Raumfahrzeug mit dem richtigen aerodynamischen Design, wie das Space Shuttle, erfährt ebenfalls eine Auftriebskraft senkrecht zu seiner Bewegung. Diese Kraft wirkt, wie jeder, der mit Flugzeugen vertraut ist, der Schwerkraft entgegen, und das Space Shuttle nutzte sie zu diesem Zweck.
Unkontrollierte Wiedereintritte
Im Jahr 2012 befanden sich etwa 3.000 Objekte mit einem Gewicht von 500 Kilogramm im Orbit um die Erde, und alle werden schließlich wieder in die Atmosphäre eintreten. Da sie nicht für den Wiedereintritt ausgelegt sind, zerfallen sie in einer Höhe von 70 bis 80 Kilometern (45 bis 50 Meilen) und bis auf 10 bis 40 Prozent verbrennen alle Teile. Die Teile, die es auf den Boden schaffen, sind in der Regel solche aus Metallen mit hohem Schmelzpunkt, wie Titan und rostfreier Stahl. Sich ändernde Wetter- und Sonnenbedingungen beeinflussen den Luftwiderstand und machen es unmöglich, mit Sicherheit vorherzusagen, wo sie landen.