Um dos problemas mais difíceis que os engenheiros das espaçonaves precisam resolver é o da reentrada na atmosfera da Terra. Ao contrário da maioria dos detritos espaciais, que queimam à medida que encontra a interface entre a atmosfera e o espaço, uma espaçonave deve permanecer intacta e fria durante esse encontro, para que possa retornar ao solo em uma única peça. Engenheiros devem equilibrar forças poderosas em suas considerações para alcançar este objetivo e evitar o desastre.
A Dinâmica da Desaceleração
Para estar em órbita, em primeiro lugar, uma nave espacial ou satélite deve atingiram a velocidade de escape. Essa velocidade, dependente da massa e do raio da Terra, é da ordem de 40.000 quilômetros por hora (25.000 milhas por hora). Quando o objeto entra nas extremidades superiores da atmosfera, a interação friccional com as moléculas de ar começa a desacelerar, e o momento perdido é convertido em calor. As temperaturas podem chegar a 1.650 graus Celsius (3.000 graus Fahrenheit), e a força de desaceleração pode ser sete ou mais vezes maior do que a força da gravidade.
Corredor de Reentrada
A força da desaceleração e o calor gerado durante a reentrada aumenta com a inclinação do ângulo em relação à atmosfera. Se o ângulo é muito íngreme, a espaçonave queima, e qualquer um que tenha a sorte de estar lá dentro é esmagado. Se o ângulo é muito raso, por outro lado, a espaçonave sai da borda da atmosfera como uma pedra deslizando ao longo da superfície de uma lagoa. A trajetória de reentrada ideal é uma faixa estreita entre esses dois extremos. O ângulo de reentrada para o ônibus espacial foi de 40 graus.
As Forças da Gravidade, Arrastar e Levantar
Durante a reentrada, uma espaçonave experimenta pelo menos três forças concorrentes. A força da gravidade é uma função da massa da espaçonave, enquanto as outras duas forças dependem da sua velocidade. O arrasto, que é causado pelo atrito do ar, também depende de quão aerodinâmica é a embarcação e da densidade do ar; um objeto pontiagudo desacelera mais rapidamente que um pontudo, e a desaceleração aumenta à medida que o objeto desce. Uma espaçonave com o desenho aerodinâmico adequado, como o ônibus espacial, também experimenta uma força de sustentação perpendicular ao seu movimento. Essa força, como qualquer pessoa familiarizada com os aviões sabe, neutraliza a força da gravidade, e o ônibus espacial a utilizou para esse fim.
Reentradas descontroladas
Em 2012, cerca de 3.000 objetos pesando 500 kg (1.100 libras) estavam em órbita ao redor da Terra, e todos acabarão por reentrar na atmosfera. Como eles não são projetados para a reentrada, eles se separam a uma altitude de 70 a 80 quilômetros (45 a 50 milhas), e todos, com exceção de 10% a 40% das peças, se queimam. As peças que chegam até o chão são tipicamente feitas de metais com altos pontos de fusão, como titânio e aço inoxidável. Mudanças climáticas e condições solares afetam o arrasto atmosférico, tornando impossível prever com certeza onde eles pousam.
