Een van de moeilijkste problemen die ruimtevaartuigingenieurs moeten oplossen, is de terugkeer in de atmosfeer van de aarde. In tegenstelling tot de meeste ruimtepuin, die opbrandt wanneer het de interface tussen de atmosfeer en de ruimte ontmoet, is a ruimtevaartuig moet tijdens deze ontmoeting intact en koel blijven, zodat het in één keer naar de grond kan terugkeren stuk. Ingenieurs moeten krachtige krachten in hun overwegingen in evenwicht brengen om dit doel te bereiken en een ramp af te wenden.
De dynamiek van vertraging
Om überhaupt in een baan om de aarde te kunnen zijn, moet een ruimtevaartuig of satelliet een ontsnappingssnelheid hebben bereikt. Deze snelheid, afhankelijk van de massa en straal van de aarde, ligt in de orde van 40.000 kilometer per uur (25.000 mijl per uur). Wanneer het object de bovenste uiteinden van de atmosfeer binnenkomt, begint de wrijvingsinteractie met luchtmoleculen het te vertragen en wordt het verloren momentum omgezet in warmte. Temperaturen kunnen 1.650 graden Celsius (3.000 graden Fahrenheit) bereiken en de vertragingskracht kan zeven keer of meer groter zijn dan de zwaartekracht.
Re-entry Corridor
De vertragingskracht en de warmte die bij de terugkeer wordt gegenereerd, nemen toe met de steilheid van de hoek ten opzichte van de atmosfeer. Als de hoek te steil is, verbrandt het ruimtevaartuig en iedereen die de pech heeft om binnen te zijn, wordt verpletterd. Als de hoek daarentegen te ondiep is, scheert het ruimtevaartuig van de rand van de atmosfeer af als een steen die langs het oppervlak van een vijver scheert. Het ideale terugkeertraject is een smalle band tussen deze twee uitersten. De terugkeerhoek van de spaceshuttle was 40 graden.
De krachten van zwaartekracht, slepen en heffen
Tijdens de terugkeer ervaart een ruimtevaartuig ten minste drie concurrerende krachten. De zwaartekracht is een functie van de massa van het ruimtevaartuig, terwijl de andere twee krachten afhankelijk zijn van de snelheid. De weerstand, die wordt veroorzaakt door luchtwrijving, hangt ook af van hoe gestroomlijnd het vaartuig is en van de luchtdichtheid; een stomp voorwerp vertraagt sneller dan een puntig voorwerp, en de vertraging neemt toe naarmate het voorwerp daalt. Een ruimtevaartuig met het juiste aerodynamische ontwerp, zoals de spaceshuttle, ervaart ook een liftkracht loodrecht op zijn beweging. Deze kracht werkt, zoals iedereen die bekend is met vliegtuigen weet, de zwaartekracht tegen en de Space Shuttle gebruikte hem voor dit doel.
Ongecontroleerde terugkeer
In 2012 waren er ongeveer 3.000 objecten met een gewicht van 500 kilogram (1.100 pond) in een baan rond de aarde, en uiteindelijk zullen ze allemaal de atmosfeer binnenkomen. Omdat ze niet zijn ontworpen voor terugkeer, vallen ze uiteen op een hoogte van 70 tot 80 kilometer (45 tot 50 mijl), en op 10 tot 40 procent van de stukken brandt alles af. De stukken die op de grond komen, zijn meestal gemaakt van metalen met een hoog smeltpunt, zoals titanium en roestvrij staal. Veranderende weers- en zonnecondities beïnvloeden de atmosferische weerstand, waardoor het onmogelijk is om met zekerheid te voorspellen waar ze landen.