Одна из самых сложных проблем, которую предстоит решить инженерам космических кораблей, - это возвращение в атмосферу Земли. В отличие от большей части космического мусора, который сгорает при столкновении с поверхностью раздела между атмосферой и космосом, космический корабль должен оставаться неповрежденным и остывать во время этого столкновения, чтобы он мог вернуться на землю за один кусок. Инженеры должны сбалансировать мощные силы в своих соображениях, чтобы достичь этой цели и предотвратить катастрофу.
Динамика замедления
Прежде всего, чтобы оказаться на орбите, космический корабль или спутник должен достичь космической скорости. Эта скорость, зависящая от массы и радиуса Земли, составляет порядка 40 000 километров в час (25 000 миль в час). Когда объект входит в верхние части атмосферы, фрикционное взаимодействие с молекулами воздуха начинает замедлять его, и потерянный импульс превращается в тепло. Температура может достигать 1650 градусов по Цельсию (3000 градусов по Фаренгейту), а сила замедления может быть в семь или более раз больше, чем сила тяжести.
Коридор возвращения
Сила замедления и тепло, выделяемое при входе в атмосферу, увеличиваются с крутизной угла относительно атмосферы. Если угол слишком крутой, космический корабль сгорает, и любой, кому не повезло оказаться внутри, раздавлен. С другой стороны, если угол слишком мал, космический корабль скользит по краю атмосферы, как камень, скользящий по поверхности пруда. Идеальная траектория входа в атмосферу - это узкая полоса между этими двумя крайностями. Угол входа в атмосферу шаттла составил 40 градусов.
Силы гравитации, сопротивления и подъема
Во время входа в атмосферу космический корабль испытывает по крайней мере три конкурирующих силы. Сила тяжести зависит от массы космического корабля, а две другие силы зависят от его скорости. Сопротивление, вызываемое трением воздуха, также зависит от обтекаемости аппарата и плотности воздуха; тупой объект замедляется быстрее, чем заостренный, и замедление увеличивается по мере опускания объекта. Космический корабль с надлежащей аэродинамической конструкцией, такой как космический шаттл, также испытывает подъемную силу, перпендикулярную его движению. Эта сила, как известно любому, кто знаком с самолетами, противодействует силе тяжести, и космический челнок использовал ее для этой цели.
Неконтролируемые повторные записи
В 2012 году около 3000 объектов весом 500 кг (1100 фунтов) находились на орбите вокруг Земли, и все они в конечном итоге снова войдут в атмосферу. Поскольку они не предназначены для повторного входа, они разрушаются на высоте от 70 до 80 километров (от 45 до 50 миль), и все части, кроме 10-40 процентов, сгорают. Детали, которые достигают земли, обычно сделаны из металлов с высокой температурой плавления, таких как титан и нержавеющая сталь. Изменение погодных и солнечных условий влияет на сопротивление атмосферы, из-за чего невозможно точно предсказать, где они приземлятся.