Fatti sul rientro nell'atmosfera terrestre

Uno dei problemi più difficili che gli ingegneri di veicoli spaziali devono risolvere è quello del rientro nell'atmosfera terrestre. A differenza della maggior parte dei detriti spaziali, che bruciano quando incontrano l'interfaccia tra l'atmosfera e lo spazio, a l'astronave deve rimanere intatta e fresca durante questo incontro in modo che possa tornare a terra in uno pezzo. Gli ingegneri devono bilanciare forze potenti nelle loro considerazioni al fine di raggiungere questo obiettivo ed evitare il disastro.

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

La forza di decelerazione e il calore generato durante il rientro aumentano con l'inclinazione dell'angolo rispetto all'atmosfera. Se l'angolo è troppo ripido, l'astronave si incendia e chiunque sia abbastanza sfortunato da trovarsi all'interno viene schiacciato. Se l'angolo è troppo basso, d'altra parte, l'astronave sfiora il bordo dell'atmosfera come un sasso che sfiora la superficie di uno stagno. La traiettoria di rientro ideale è una banda stretta tra questi due estremi. L'angolo di rientro della navetta spaziale era di 40 gradi.

Durante il rientro, un veicolo spaziale sperimenta almeno tre forze in competizione. La forza di gravità è una funzione della massa del veicolo spaziale, mentre le altre due forze dipendono dalla sua velocità. La resistenza, che è causata dall'attrito dell'aria, dipende anche da quanto è aerodinamica l'imbarcazione e dalla densità dell'aria; un oggetto contundente rallenta più rapidamente di uno appuntito e la decelerazione aumenta man mano che l'oggetto scende. Un veicolo spaziale con un 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, contrasta la forza di gravità e lo space shuttle l'ha utilizzata per questo scopo.

Nel 2012, circa 3.000 oggetti del peso di 500 chilogrammi (1.100 libbre) erano in orbita attorno alla Terra, e alla fine tutti rientreranno nell'atmosfera. Poiché non sono progettati per il rientro, si rompono a un'altitudine di 70-80 chilometri (da 45 a 50 miglia) e tutti i pezzi tranne il 10-40% si bruciano. I pezzi che arrivano a terra sono tipicamente quelli realizzati con metalli ad alto punto di fusione, come il titanio e acciaio inossidabile. Le mutevoli condizioni meteorologiche e solari influenzano la resistenza atmosferica, rendendo impossibile prevedere con certezza dove atterrano.