L'un des problèmes les plus difficiles à résoudre pour les ingénieurs spatiaux est celui de la rentrée dans l'atmosphère terrestre. Contrairement à la plupart des débris spatiaux, qui brûlent en rencontrant l'interface entre l'atmosphère et l'espace, un engin spatial doit rester intact et frais pendant cette rencontre pour pouvoir retourner au sol en une seule pièce. Les ingénieurs doivent équilibrer les forces puissantes dans leurs considérations afin d'atteindre cet objectif et éviter le désastre.
La dynamique de décélération
Pour être en orbite en premier lieu, un vaisseau spatial ou satellite doit ont atteint la vitesse d'échappement. 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 frictionnelle avec les molécules d'air commence à le ralentir et l'impulsion 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 plus grande que la force de gravité.
Corridor de rentrée
La force de décélération et la chaleur générée lors de la rentrée augmente avec la pente 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 peu profond, d'autre part, le vaisseau spatial survole le bord de l'atmosphère comme une pierre qui lèche la surface d'un étang. La trajectoire idéale de rentrée 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 soulèvement
Lors de la rentrée, un vaisseau spatial subit au moins trois forces en compétition. La force de gravité est une fonction de la masse de l'engin spatial, tandis que les deux autres forces dépendent de sa vitesse. La traînée, qui est causée par le frottement de l'air, dépend aussi de la façon dont l'embarcation est profilée 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 ayant la conception aérodynamique appropriée, comme la navette spatiale, subit également une force de portance perpendiculaire à son mouvement. Cette force, comme toute personne connaissant les avions sait, contrecarre la force de la gravité, et la navette spatiale l'a utilisé à cette fin.
Réentrées 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 réintégration, ils se séparent à une altitude de 70 à 80 kilomètres (45 à 50 miles), et tous sauf 10 à 40 pour cent des pièces brûlent. Les pièces qui le rendent à la terre sont généralement ceux fabriqués à partir de métaux avec des points de fusion élevés, tels que le titane et l'acier inoxydable. Les conditions météorologiques et solaires changeantes affectent la traînée atmosphérique, rendant impossible la prédiction avec certitude de l'endroit où elles atterrissent.
