Jednym z najtrudniejszych problemów, jakie muszą rozwiązać inżynierowie statków kosmicznych, jest ponowne wejście w ziemską atmosferę. W przeciwieństwie do większości kosmicznych śmieci, które spalają się, gdy napotykają granicę między atmosferą a przestrzenią, a statek kosmiczny musi pozostać nienaruszony i chłodny podczas tego spotkania, aby mógł wrócić na ziemię w jednym kawałek. Inżynierowie muszą w swoich rozważaniach zrównoważyć potężne siły, aby osiągnąć ten cel i zapobiec katastrofie.
Dynamika zwalniania
Aby znaleźć się na orbicie, statek kosmiczny lub satelita musi osiągnąć prędkość ucieczki. Ta prędkość, zależna od masy i promienia Ziemi, jest rzędu 40 000 kilometrów na godzinę (25 000 mil na godzinę). Gdy obiekt wejdzie w górne krańce atmosfery, oddziaływanie tarcia z cząsteczkami powietrza zaczyna go spowalniać, a utracony pęd zamienia się w ciepło. Temperatury mogą osiągnąć 1650 stopni Celsjusza (3000 stopni Fahrenheita), a siła hamowania może być siedem lub więcej razy większa niż siła grawitacji.
Korytarz ponownego wejścia
Siła spowolnienia i ciepło wytworzone podczas powrotu wzrastają wraz z nachyleniem kąta w stosunku do atmosfery. Jeśli kąt jest zbyt stromy, statek kosmiczny spłonie, a każdy pechowiec, który znajdzie się w środku, zostanie zmiażdżony. Z drugiej strony, jeśli kąt jest zbyt płytki, statek kosmiczny ześlizguje się z krawędzi atmosfery jak kamień przesuwający się po powierzchni stawu. Idealną trajektorią powrotu jest wąskie pasmo między tymi dwoma skrajnościami. Kąt ponownego wejścia promu kosmicznego wynosił 40 stopni.
Siły grawitacji, ciągnięcia i podnoszenia
Podczas ponownego wejścia na pokład statek kosmiczny doświadcza co najmniej trzech konkurujących ze sobą sił. Siła grawitacji jest funkcją masy statku kosmicznego, podczas gdy pozostałe dwie siły zależą od jego prędkości. Opór, który jest spowodowany tarciem powietrza, zależy również od tego, jak opływowy jest statek i od gęstości powietrza; tępy przedmiot zwalnia szybciej niż szpiczasty, a zwalnianie zwiększa się, gdy przedmiot opada. Statek kosmiczny o odpowiedniej aerodynamicznej konstrukcji, taki jak prom kosmiczny, również doświadcza siły nośnej prostopadłej do jego ruchu. Siła ta, jak wie każdy zaznajomiony z samolotami, przeciwdziała sile grawitacji, a prom kosmiczny wykorzystał ją do tego celu.
Niekontrolowane ponowne wejścia
W 2012 roku około 3000 obiektów ważących 500 kilogramów (1100 funtów) znajdowało się na orbicie wokół Ziemi i wszystkie w końcu ponownie wejdą w atmosferę. Ponieważ nie są one przeznaczone do ponownego wejścia, rozpadają się na wysokości od 70 do 80 kilometrów (od 45 do 50 mil) i spalają się wszystkie części oprócz 10 do 40 procent. Kawałki, które trafiają na ziemię, to zazwyczaj te wykonane z metali o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak tytan i Stal nierdzewna. Zmieniające się warunki pogodowe i słoneczne wpływają na opór atmosferyczny, przez co nie można z całą pewnością przewidzieć, gdzie wylądują.