Yksi vaikeimmista ongelmista, jotka avaruusalusten insinöörien on ratkaistava, on paluu maapallon ilmakehään. Toisin kuin useimmat avaruusjätteet, jotka palavat, kun kohtaavat ilmakehän ja avaruuden rajapinnan, a avaruusaluksen on pysyttävä ehjänä ja viileänä tämän kohtaamisen aikana, jotta se voi palata maahan yhdessä pala. Insinöörien on tasapainotettava voimansa voimissaan tämän tavoitteen saavuttamiseksi ja katastrofin estämiseksi.
Hidastumisen dynamiikka
Avaruusaluksen tai satelliitin on oltava saavutettu kiertoradalla ennen kaikkea kiertoradalla. Tämä nopeus, riippuen maapallon massasta ja säteestä, on luokkaa 40 000 kilometriä tunnissa. Kun esine tulee ilmakehän yläosiin, kitkavuorovaikutus ilmamolekyylien kanssa alkaa hidastaa sitä ja menetetty liikemäärä muuttuu lämmöksi. Lämpötilat voivat nousta 1650 celsiusasteeseen (3000 astetta Fahrenheit-astetta), ja hidastusvoima voi olla seitsemän tai enemmän kertaa suurempi kuin painovoima.
Paluu käytävälle
Hidastumisvoima ja paluun aikana syntyvä lämpö kasvavat kulman jyrkkyydestä suhteessa ilmakehään. Jos kulma on liian jyrkkä, avaruusalus palaa, ja kuka tahansa, joka ei ole tarpeeksi onnellinen sisälle, murskataan. Toisaalta, jos kulma on liian matala, avaruusalus irtoaa ilmakehän reunalta kuin kivi, joka huokuu lammen pintaa pitkin. Ihanteellinen paluureitti on kapea kaista näiden kahden ääripään välillä. Avaruussukkulan paluukulma oli 40 astetta.
Painovoimat, vedä ja nosta
Paluumatkan aikana avaruusalus kokee vähintään kolme kilpailevaa voimaa. Painovoima on avaruusaluksen massan funktio, kun taas kaksi muuta voimaa riippuvat sen nopeudesta. Ilmakitkan aiheuttama vetäminen riippuu myös veneen virtaviivaistamisesta ja ilman tiheydestä; tylsä esine hidastuu nopeammin kuin terävä, ja hidastuvuus kasvaa kohteen laskiessa. Asianmukaisella aerodynaamisella muotoilulla varustettu avaruusalus, kuten avaruussukkula, kokee myös nostovoiman kohtisuoraan liikkeeseensa. Tämä voima, kuten kuka tahansa lentokoneita tunteva tietää, vastustaa painovoimaa, ja avaruussukkula käytti sitä tähän tarkoitukseen.
Hallitsemattomat uudelleenmerkinnät
Vuonna 2012 noin 3000 esineitä, joiden paino oli 500 kiloa, kiertoradalla ympäri maapalloa, ja kaikki tulevat lopulta takaisin ilmakehään. Koska niitä ei ole suunniteltu uudelleenkäyttöön, ne hajoavat 70--80 kilometrin (45-50 mailia) korkeudessa, ja kaikki paitsi 10--40 prosenttia kappaleista palavat. Kappaleet, jotka tekevät sen maahan, ovat tyypillisesti niitä, jotka on valmistettu metalleista, joiden sulamispisteet ovat korkeat, kuten titaani ja ruostumaton teräs. Muuttuvat sää- ja aurinko-olosuhteet vaikuttavat ilmakehän vastukseen, minkä vuoksi on mahdotonta ennustaa varmasti, mihin ne laskeutuvat.