L'un des problèmes les plus difficiles que les ingénieurs des engins spatiaux doivent résoudre est celui de la rentrée dans l'atmosphère terrestre. Contrairement à la plupart des débris spatiaux, qui brûlent lorsqu'ils rencontrent l'interface entre l'atmosphère et l'espace, un le vaisseau spatial doit rester intact et frais pendant cette rencontre afin qu'il puisse retourner au sol en un seul pièce. Les ingénieurs doivent équilibrer des forces puissantes dans leurs considérations afin d'atteindre cet objectif et d'éviter le désastre.
La dynamique de la décélération
Pour être en orbite en premier lieu, un vaisseau spatial ou un satellite doit avoir atteint une vitesse de sortie. Cette vitesse, dépendante de la masse et du rayon de la Terre, est de l'ordre de 40 000 kilomètres par heure (25 000 miles par heure). Lorsque l'objet pénètre dans les extrémités supérieures de l'atmosphère, l'interaction de friction avec les molécules d'air commence à le ralentir et la quantité de mouvement perdue est convertie en chaleur. Les températures peuvent atteindre 1 650 degrés Celsius (3 000 degrés Fahrenheit) et la force de décélération peut être sept fois ou plus supérieure à la force de gravité.
Couloir de rentrée
La force de décélération et la chaleur générée lors de la rentrée augmentent avec la raideur de l'angle par rapport à l'atmosphère. Si l'angle est trop raide, le vaisseau spatial brûle et toute personne assez malchanceuse pour être à l'intérieur est écrasée. Si l'angle est trop faible, en revanche, le vaisseau spatial effleure le bord de l'atmosphère comme une pierre effleurant la surface d'un étang. La trajectoire de rentrée idéale est une bande étroite entre ces deux extrêmes. L'angle de rentrée de la navette spatiale était de 40 degrés.
Les forces de gravité, de traînée et de portance
Lors de la rentrée, un vaisseau spatial subit au moins trois forces concurrentes. La force de gravité est fonction de la masse du vaisseau spatial, tandis que les deux autres forces dépendent de sa vitesse. La traînée, qui est causée par le frottement de l'air, dépend également de la fluidité de l'engin et de la densité de l'air; un objet contondant ralentit plus rapidement qu'un objet pointu et la décélération augmente à mesure que l'objet descend. Un vaisseau spatial avec la conception aérodynamique appropriée, telle que la navette spatiale, subit également une force de portance perpendiculaire à son mouvement. Cette force, comme le sait toute personne familière avec les avions, contrecarre la force de gravité, et la navette spatiale l'a utilisée à cette fin.
Rentrées incontrôlées
En 2012, environ 3 000 objets pesant 500 kilogrammes (1 100 livres) étaient en orbite autour de la Terre, et tous finiront par rentrer dans l'atmosphère. Parce qu'ils ne sont pas conçus pour la rentrée, ils se brisent à une altitude de 70 à 80 kilomètres (45 à 50 miles), et tous sauf 10 à 40 % des morceaux brûlent. Les pièces qui parviennent au sol sont généralement celles fabriquées à partir de métaux à point de fusion élevé, tels que le titane et acier inoxydable. Les conditions météorologiques et solaires changeantes affectent la traînée atmosphérique, ce qui rend impossible de prédire avec certitude où ils atterrissent.