دخول الغلاف الجوي

الدخول إلى الغلاف الجوي (يُشار إليه أحيانًا باسم " _اصطدام V" أو " _دخول V ") هو حركة جسم من الفضاء الخارجي إلى داخل الغلاف الجوي لكوكب أو كوكب قزم أو قمر طبيعي، وعبره . قد يكون الدخول إلى الغلاف الجوي دخولًا غير مُتحكم به، كما هو الحال في دخول الأجرام السماوية أو الحطام الفضائي أو النيازك ، أو قد يكون دخولًا مُتحكمًا به (أو إعادة دخول ) لمركبة فضائية يمكن توجيهها أو اتباع مسار مُحدد مُسبقًا. تُعرف طرق الدخول المُتحكم به إلى الغلاف الجوي والهبوط والنزول للمركبات الفضائية مجتمعةً باسم EDL .

تتعرض الأجسام الداخلة إلى الغلاف الجوي لمقاومة الهواء ، مما يُسبب إجهادًا ميكانيكيًا عليها، بالإضافة إلى التسخين الديناميكي الهوائي الناتج في الغالب عن انضغاط الهواء أمامها ، وأيضًا عن مقاومة الهواء. قد تُؤدي هذه القوى إلى فقدان الكتلة ( التآكل ) أو حتى التفكك الكامل للأجسام الصغيرة، وقد تنفجر الأجسام ذات مقاومة الانضغاط المنخفضة .

دخلت أجسامٌ الغلاف الجوي بسرعاتٍ تتراوح بين 7.8  كم/ث في المدار الأرضي المنخفض وحوالي 12.5  كم/ث لمسبار ستاردست . ^{[ 1 ]} تتمتع هذه الأجسام بطاقة حركية عالية، ويُعدّ تبديدها في الغلاف الجوي الوسيلة الوحيدة لتفريغها، إذ يصعب عمليًا استخدام الصواريخ العكسية طوال عملية الدخول. يجب إبطاء سرعة المركبات الفضائية المأهولة إلى سرعات دون سرعة الصوت قبل فتح المظلات أو المكابح الهوائية.

لا تتطلب الرؤوس الحربية الباليستية والمركبات الاستهلاكية إبطاء سرعتها عند دخولها الغلاف الجوي، بل إنها مصممة بشكل انسيابي للحفاظ على سرعتها. علاوة على ذلك، فإن عمليات العودة البطيئة إلى الأرض من الفضاء القريب، مثل القفز بالمظلات من ارتفاعات عالية من البالونات، لا تتطلب دروعًا حرارية، لأن التسارع الناتج عن الجاذبية لجسم يبدأ من حالة سكون نسبي داخل الغلاف الجوي نفسه (أو على ارتفاع ليس ببعيد عنه) لا يُولّد سرعة كافية لإحداث تسخين ملحوظ للغلاف الجوي.

بالنسبة للأرض، يحدث دخول الغلاف الجوي عادةً عند خط كارمان على ارتفاع 100 كيلومتر (62 ميلاً؛ 54 ميلاً بحرياً) فوق السطح، بينما يحدث عند الزهرة على ارتفاع 250 كيلومتراً (160 ميلاً؛ 130 ميلاً بحرياً) ، وعند المريخ على ارتفاع 80 كيلومتراً (50 ميلاً؛ 43 ميلاً بحرياً) . تصل الأجسام غير المنضبطة إلى سرعات عالية أثناء تسارعها في الفضاء باتجاه الأرض تحت تأثير جاذبيتها ، ثم تتباطأ بفعل الاحتكاك عند دخولها الغلاف الجوي. غالباً ما تتحرك النيازك أيضاً بسرعة كبيرة بالنسبة للأرض لأن مسارها المداري يختلف عن مسار الأرض قبل دخولها مجال جاذبيتها . تدخل معظم الأجسام الغلاف الجوي بسرعات تفوق سرعة الصوت بسبب مساراتها شبه المدارية (مثل مركبات إعادة دخول الصواريخ الباليستية العابرة للقارات )، أو المدارية (مثل مركبة سويوز )، أو غير المحدودة (مثل النيازك ). طُوّرت تقنيات متقدمة متنوعة لتمكين دخول الغلاف الجوي والتحليق بسرعات فائقة. ومن الطرق البديلة للتحكم في دخول الغلاف الجوي استخدام الطفو ^{[ 2 ]،} وهو مناسب لدخول الكواكب حيث تُعقّد الأغلفة الجوية الكثيفة أو الجاذبية القوية أو كلاهما عملية الدخول السريع ذي المسار القطعي، كما هو الحال في أغلفة كوكب الزهرة وتيتان والكواكب العملاقة . ^{[ 3 ]}       

وصف روبرت جودارد مفهوم الدرع الحراري القابل للتآكل في وقت مبكر من عام 1920، قائلاً : "في حالة النيازك، التي تدخل الغلاف الجوي بسرعات تصل إلى 48 كيلومترًا في الثانية، يبقى باطنها باردًا، ويعود التآكل إلى حد كبير إلى تشقق أو تكسر السطح الساخن فجأة. ولهذا السبب، إذا كان السطح الخارجي للجهاز يتكون من طبقات من مادة صلبة غير قابلة للانصهار، تفصل بينها طبقات من مادة رديئة التوصيل الحراري، فلن يتآكل السطح بشكل ملحوظ، خاصةً وأن سرعة الجهاز لن تكون قريبة من سرعة النيزك العادي." ^{[ 4 ]} 

بدأ التطوير العملي لأنظمة إعادة الدخول مع ازدياد مدى وسرعة دخول الصواريخ الباليستية . بالنسبة للصواريخ قصيرة المدى المبكرة، مثل V-2 ، كان الاستقرار والإجهاد الديناميكي الهوائي من القضايا المهمة (حيث تفككت العديد من صواريخ V-2 أثناء إعادة الدخول)، لكن الحرارة لم تكن مشكلة خطيرة. أما الصواريخ متوسطة المدى، مثل الصاروخ السوفيتي R-5 ، الذي يبلغ مداه 1200 كيلومتر (650 ميلًا بحريًا) ، فقد تطلبت دروعًا حرارية مركبة من السيراميك على مركبات إعادة الدخول القابلة للفصل (إذ لم يعد من الممكن أن ينجو هيكل الصاروخ بأكمله من إعادة الدخول). ولم يكن من الممكن إنتاج أولى الصواريخ الباليستية العابرة للقارات ، التي يتراوح مداها بين 8000 و12000 كيلومتر (4300 إلى 6500 ميل بحري) ، إلا مع تطوير الدروع الحرارية الحديثة المقاومة للحرارة والمركبات ذات الشكل غير الانسيابي.  

في الولايات المتحدة، كان رائد هذه التقنية هـ. جوليان ألين وإيه جيه إيغرز الابن من اللجنة الاستشارية الوطنية للملاحة الجوية (NACA) في مركز أبحاث أميس . ^{[ 5 ]} في عام 1951، توصلا إلى اكتشاف غير بديهي مفاده أن الشكل غير الانسيابي (مقاومة عالية) يُشكل الدرع الحراري الأكثر فعالية. ^{[ 6 ]} انطلاقًا من مبادئ هندسية بسيطة، أوضح ألين وإيغرز أن الحمل الحراري الذي تتعرض له مركبة الدخول يتناسب عكسيًا مع معامل السحب ؛ أي كلما زاد السحب، قلّ الحمل الحراري. إذا صُممت مركبة العودة بشكل غير انسيابي، فلن يتمكن الهواء من "إفساح الطريق" بالسرعة الكافية، وسيعمل كوسادة هوائية لدفع الموجة الصدمية وطبقة الصدمة الساخنة إلى الأمام (بعيدًا عن المركبة). وبما أن معظم الغازات الساخنة لم تعد على اتصال مباشر بالمركبة، فإن الطاقة الحرارية ستبقى في الغاز المتأثر بالصدمة وتتحرك ببساطة حول المركبة لتتبدد لاحقًا في الغلاف الجوي.

على الرغم من أن اكتشاف ألين وإيغرز تعامل معه في البداية على أنه سر عسكري، إلا أنه تم نشره في النهاية في عام 1958. ^{[ 7 ]}

عندما يكون دخول الغلاف الجوي جزءًا من هبوط أو استعادة مركبة فضائية، وخاصة على جرم سماوي غير الأرض، فإن الدخول يكون جزءًا من مرحلة تُعرف باسم الدخول والهبوط والنزول ، أو EDL. ^{[ 8 ]} عندما يعود دخول الغلاف الجوي إلى نفس الجرم الذي انطلقت منه المركبة، يُشار إلى الحدث باسم إعادة الدخول (ويشير دائمًا تقريبًا إلى دخول الأرض).

يتمثل الهدف التصميمي الأساسي لدخول المركبة الفضائية إلى الغلاف الجوي في تبديد طاقة المركبة التي تسير بسرعة تفوق سرعة الصوت عند دخولها الغلاف الجوي ، بحيث تتباطأ المعدات والشحنة والركاب، وتهبط بالقرب من وجهة محددة على سطح الأرض بسرعة صفرية، مع الحفاظ على الضغوط الواقعة على المركبة والركاب ضمن الحدود المقبولة. ^{[ 9 ]} ويمكن تحقيق ذلك عن طريق وسائل الدفع أو الديناميكا الهوائية (خصائص المركبة أو المظلة )، أو بمزيج من الاثنين.

توجد عدة أشكال أساسية تُستخدم في تصميم سيارات الدخول:

كرة أو مقطع كروي

أبسط شكل متناظر محوريًا هو الكرة أو المقطع الكروي. ^{[ 10 ]} يمكن أن يكون هذا إما كرة كاملة أو مقطعًا كرويًا أماميًا مع مقطع كروي خلفي مخروطي متقارب. يسهل نمذجة الديناميكا الهوائية للكرة أو المقطع الكروي تحليليًا باستخدام نظرية نيوتن للصدمات. وبالمثل، يمكن نمذجة تدفق الحرارة للمقطع الكروي بدقة باستخدام معادلة فاي-ريدل . ^{[ 11 ]} يُضمن الاستقرار الساكن للمقطع الكروي إذا كان مركز كتلة المركبة يقع في اتجاه التيار من مركز الانحناء (الاستقرار الديناميكي أكثر تعقيدًا). ​​لا تمتلك الكرات النقية قوة رفع. ومع ذلك، من خلال الطيران بزاوية هجوم ، يمتلك المقطع الكروي قوة رفع ديناميكية هوائية معتدلة، مما يوفر بعض القدرة على الطيران العرضي ويوسع نطاق دخوله. في أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات، لم تكن الحواسيب عالية السرعة متاحة بعد، وكانت ديناميكا الموائع الحسابية لا تزال في مراحلها الأولى. نظراً لسهولة تحليل المقطع الكروي باستخدام التحليل المغلق، أصبح هذا الشكل الهندسي هو الخيار الافتراضي للتصميم المحافظ. ونتيجة لذلك، استندت كبسولات الفضاء المأهولة في تلك الحقبة إلى المقطع الكروي.

استُخدمت مركبات الدخول الكروية البحتة في كبسولات فوستوك وفوسخود السوفيتية المبكرة ، وفي مركبات الهبوط السوفيتية على المريخ وفينيرا . استخدمت وحدة قيادة أبولو درعًا حراريًا كرويًا في مقدمة المركبة مع جسم خلفي مخروطي متقارب. نفّذت المركبة دخولًا رافعًا بزاوية هجوم فرط صوتية تبلغ -27 درجة (0 درجة تعني دخولًا من الطرف غير الحاد أولًا) لتحقيق نسبة رفع إلى سحب متوسطة تبلغ 0.368. ^{[ 12 ]} حقق الرفع الناتج قدرًا من التحكم العرضي عن طريق إزاحة مركز كتلة المركبة عن محور تناظرها، مما سمح بتوجيه قوة الرفع يمينًا أو يسارًا عن طريق تدوير الكبسولة حول محورها الطولي . من الأمثلة الأخرى على هندسة المقطع الكروي في الكبسولات المأهولة: سويوز / زوند ، وجيميني ، وميركوري . حتى هذه الكميات الصغيرة من الرفع تسمح بمسارات لها تأثيرات كبيرة جدًا على ذروة قوة الجاذبية ، حيث تقللها من 8-9 جي لمسار باليستي بحت (يبطئه السحب فقط) إلى 4-5 جي، بالإضافة إلى تقليل حرارة إعادة الدخول القصوى بشكل كبير. ^{[ 13 ]}  

كروي مخروطي

المخروط الكروي هو مقطع كروي مُلحق به مخروط ناقص أو مخروط مُدبب. يتميز المخروط الكروي عادةً بثبات ديناميكي أفضل من المقطع الكروي العادي. تدخل المركبة من جهة الكرة أولاً. مع زاوية نصفية صغيرة كافية ومركز كتلة مُحدد بدقة، يُمكن للمخروط الكروي توفير ثبات ديناميكي هوائي من لحظة دخول المركبة إلى السطح وحتى لحظة الاصطدام. (الزاوية النصفية هي الزاوية بين محور التناظر الدوراني للمخروط وسطحه الخارجي، وبالتالي فهي نصف الزاوية التي تُشكلها حواف سطح المخروط).

كانت المركبة الجوية الأمريكية الأصلية ذات الشكل الكروي المخروطي هي مركبة إعادة الدخول Mk-2، التي طورتها شركة جنرال إلكتريك عام 1955. استند تصميم Mk-2 إلى نظرية الجسم غير الانسيابي، واستخدم نظام حماية حرارية مبرد بالإشعاع يعتمد على درع حراري معدني (سيتم شرح أنواع أنظمة الحماية الحرارية المختلفة لاحقًا في هذه المقالة). عانت Mk-2 من عيوب جوهرية كنظام إطلاق أسلحة، حيث كانت تحوم لفترة طويلة جدًا في طبقات الجو العليا نظرًا لانخفاض معاملها الباليستي ، كما أنها كانت تترك وراءها تيارًا من المعدن المتبخر مما جعلها مرئية بوضوح للرادار . هذه العيوب جعلت Mk-2 عرضة بشكل مفرط لأنظمة الدفاع الصاروخي الباليستي. ونتيجة لذلك، طورت شركة جنرال إلكتريك مركبة إعادة دخول بديلة ذات شكل كروي مخروطي.

كانت هذه المركبة الجديدة هي Mk-6، التي استخدمت نظام حماية حراري غير معدني قابل للتآكل، مصنوع من النايلون الفينولي. وقد كان هذا النظام الجديد فعالاً للغاية كدرع حراري عند إعادة الدخول، مما ساهم في تقليل حدة الصدمة بشكل ملحوظ. مع ذلك، كانت Mk-6 مركبة ضخمة بكتلة دخول تبلغ 3360 كجم، وطول 3.1 متر، وزاوية نصفية 12.5 درجة. سمحت التطورات اللاحقة في تصميم الأسلحة النووية وأنظمة الحماية الحرارية القابلة للتآكل بتصغير حجم المركبات بشكل كبير، مع تقليل نسبة حدة الصدمة بشكل أكبر مقارنةً بـ Mk-6. منذ ستينيات القرن الماضي، أصبح الشكل الكروي المخروطي هو الشكل الهندسي المفضل للمركبات الحديثة في الصواريخ الباليستية العابرة للقارات، حيث تتراوح الزوايا النصفية النموذجية بين 10 و11 درجة. 

استخدمت مركبات الاستطلاع الفضائية (مركبات الاستعادة) شكلًا كرويًا مخروطيًا، وكانت أول مثال أمريكي لمركبة دخول غير مزودة بذخائر ( ديسكوفرر-1 ، أُطلق في 28 فبراير 1959). استُخدم الشكل الكروي المخروطي لاحقًا في مهمات استكشاف الفضاء لأجرام سماوية أخرى أو للعودة من الفضاء الخارجي، مثل مسبار ستاردست . على عكس مركبات الاستطلاع العسكرية، احتفظت مركبات دخول الفضاء الاستكشافية، مثل مسبار غاليليو بزاوية نصفية 45 درجة أو غلاف فايكنغ الجوي بزاوية نصفية 70 درجة ، بميزة انخفاض كتلة نظام الحماية الحرارية (TPS ) للجسم غير الانسيابي . وقد هبطت مركبات دخول الفضاء الكروية المخروطية على سطح المريخ والزهرة والمشتري وتيتان أو دخلت أغلفةها الجوية .

ثنائي الأضلاع

المخروط المزدوج هو شكل كروي مخروطي الشكل مُلحق به مخروط ناقص إضافي. يوفر هذا الشكل نسبة رفع إلى سحب محسّنة بشكل ملحوظ. عادةً ما تبلغ نسبة الرفع إلى السحب في المخروط المزدوج المصمم لالتقاط المركبات الفضائية من المريخ حوالي 1.0، مقارنةً بنسبة 0.368 في مركبة أبولو CM. هذه النسبة الأعلى تجعل شكل المخروط المزدوج أكثر ملاءمة لنقل البشر إلى المريخ نظرًا لانخفاض ذروة التباطؤ. ولعلّ أهمّ المخاريط المزدوجة التي تمّ استخدامها على الإطلاق هي مركبة إعادة الدخول المتقدمة القابلة للمناورة (AMaRV). صنعت شركة ماكدونيل دوغلاس أربع مركبات من هذا النوع، والتي مثّلت قفزة نوعية في تطور مركبات إعادة الدخول. أُطلقت ثلاث مركبات AMaRV بواسطة صواريخ Minuteman-1 العابرة للقارات في 20 ديسمبر 1979، و8 أكتوبر 1980، و4 أكتوبر 1981. بلغ وزن مركبة AMaRV عند دخولها الغلاف الجوي حوالي 470  كجم، ونصف قطر مقدمتها 2.34  سم، وزاوية نصف قطر المخروط الأمامي 10.4 درجة، ونصف قطر المخروط الخلفي 14.6  سم، وزاوية نصف قطر المخروط الخلفي 6 درجات، وطولها المحوري 2.079 متر. لم يُنشر أي رسم تخطيطي أو صورة دقيقة لمركبة AMaRV في المراجع العلمية المتاحة. مع ذلك، نُشر رسم تخطيطي لمركبة شبيهة بـ AMaRV مع مخططات مسار تُظهر منعطفات حادة. ^{[ 14 ]}

تم التحكم في وضعية مركبة AMaRV بواسطة رفرف جسم منقسم (يُسمى أيضًا رفرفًا مواجهًا للريح ) بالإضافة إلى رفرفين جانبيين للتحكم في الانعطاف مثبتين على جانبي المركبة. واستُخدم نظام هيدروليكي للتحكم في هذه الرفرفات. وتم توجيه AMaRV بواسطة نظام ملاحة ذاتي التشغيل بالكامل مصمم للتهرب من اعتراض الصواريخ المضادة للصواريخ الباليستية . وكانت طائرة ماكدونيل دوغلاس DC-X (وهي أيضًا ذات تصميم مخروطي مزدوج) نسخة مكبرة من AMaRV. كما شكلت AMaRV وDC-X أساسًا لاقتراح غير ناجح لما أصبح لاحقًا طائرة لوكهيد مارتن X-33 .

تتسبب الأجسام التي تدخل الغلاف الجوي من الفضاء بسرعات عالية بالنسبة للغلاف الجوي في مستويات تسخين عالية للغاية . ويأتي التسخين الناتج عن دخول الغلاف الجوي بشكل رئيسي من مصدرين:

• انتقال الغاز الساخن بالحمل الحراري فوق سطح الجسم وتفاعلات إعادة التركيب الكيميائي التحفيزي بين الغازات السطحية والغازات الجوية؛ و
• الإشعاع الناتج عن طبقة الصدمة النشطة التي تتشكل في الجزء الأمامي وجوانب الجسم ^{[ 15 ]}

مع ازدياد السرعة، يزداد كل من التسخين بالحمل الحراري والتسخين الإشعاعي، ولكن بمعدلات مختلفة. عند السرعات العالية جدًا، يهيمن التسخين الإشعاعي على تدفقات الحرارة بالحمل الحراري، حيث يتناسب التسخين الإشعاعي طرديًا مع القوة الثامنة للسرعة، بينما يتناسب التسخين بالحمل الحراري طرديًا مع القوة الثالثة للسرعة. وبالتالي، يسود التسخين الإشعاعي في المراحل الأولى من دخول الغلاف الجوي، بينما يسود التسخين بالحمل الحراري في المراحل اللاحقة. ^{[ 15 ]}

أثناء حدوث شدة معينة من التأين، يحدث انقطاع في الاتصال اللاسلكي مع المركبة الفضائية. ^{[ 16 ]}

بينما تقع واجهة دخول الأرض التابعة لناسا على ارتفاع 400,000 قدم (122 كم) ، فإن التسخين الرئيسي أثناء الدخول المتحكم فيه يحدث على ارتفاعات تتراوح من 65 إلى 35 كيلومترًا (من 213,000 إلى 115,000 قدم) ، ويبلغ ذروته عند 58 كيلومترًا (190,000 قدم) . ^{[ 17 ]}   

نظام الحماية الحرارية (TPS) هو الحاجز الذي يحمي المركبة الفضائية أثناء حرارة دخولها الغلاف الجوي الشديدة. تُستخدم عدة طرق لحماية المركبات الفضائية حراريًا، منها الدروع الحرارية القابلة للتآكل، والتبريد السلبي، والتبريد النشط لأسطح المركبة. وبشكل عام، يمكن تقسيمها إلى فئتين: أنظمة الحماية الحرارية القابلة للتآكل وأنظمة الحماية الحرارية القابلة لإعادة الاستخدام.

تُعدّ أنظمة الحماية الحرارية القابلة للاستهلاك ضرورية عندما تصل المركبات الفضائية إلى ارتفاع منخفض نسبيًا قبل أن تبدأ بالتباطؤ. صُممت المركبات الفضائية، مثل مكوك الفضاء، للتباطؤ على ارتفاعات عالية حتى تتمكن من استخدام أنظمة الحماية الحرارية القابلة لإعادة الاستخدام. (انظر: نظام الحماية الحرارية لمكوك الفضاء ).

يتم اختبار أنظمة الحماية الحرارية في اختبارات أرضية عالية المحتوى الحراري أو أنفاق رياح البلازما التي تعيد إنتاج مزيج المحتوى الحراري العالي وضغط الركود العالي باستخدام بلازما الحث أو بلازما التيار المستمر.

الاستئصال

يعمل الدرع الحراري الاستئصالي عن طريق رفع غاز طبقة الصدمة الساخنة بعيدًا عن جداره الخارجي (مما يُنشئ طبقة حدية أكثر برودة ). تنشأ هذه الطبقة الحدية من انبعاث نواتج التفاعل الغازية من مادة الدرع الحراري ، وتوفر الحماية ضد جميع أشكال التدفق الحراري. تُسمى العملية الشاملة لتقليل التدفق الحراري الذي يتعرض له الجدار الخارجي للدرع الحراري عن طريق الطبقة الحدية بالحجب . يحدث الاستئصال على مستويين في نظام الحماية الحرارية الاستئصالي: حيث يتفحم السطح الخارجي لمادة النظام، وينصهر، ويتسامى ، بينما تخضع كتلة مادة النظام للتحلل الحراري وتُطلق غازات ناتجة. الغاز الناتج عن التحلل الحراري هو ما يدفع عملية الانبعاث ويسبب حجب التدفق الحراري الحملي والتحفيزي. يمكن قياس التحلل الحراري في الوقت الفعلي باستخدام التحليل الحراري الوزني ، مما يسمح بتقييم أداء الاستئصال. ^{[ 30 ]} كما يمكن للاستئصال أن يوفر حجبًا ضد التدفق الحراري الإشعاعي عن طريق إدخال الكربون في طبقة الصدمة، مما يجعلها معتمة بصريًا. كان انسداد تدفق الحرارة الإشعاعية هو آلية الحماية الحرارية الأساسية لمادة نظام الحماية الحرارية لمسبار جاليليو (الكربون الفينولي).

تركزت الأبحاث المبكرة حول تقنية الاستئصال الحراري في الولايات المتحدة في مركز أبحاث أميس التابع لوكالة ناسا ، والواقع في موفيت فيلد ، كاليفورنيا. كان مركز أبحاث أميس مثاليًا، نظرًا لاحتوائه على العديد من أنفاق الرياح القادرة على توليد سرعات رياح متفاوتة. في التجارب الأولية، كان يتم عادةً تركيب نموذج أولي للمادة المراد تحليلها داخل نفق رياح فائق السرعة . ^{[ 31 ]} تُجرى اختبارات المواد المُستأصلة حراريًا في مجمع أميس آرك جيت . وقد تم اختبار العديد من أنظمة الحماية الحرارية للمركبات الفضائية في هذا المرفق، بما في ذلك مواد الدروع الحرارية لمركبات أبولو، ومكوك الفضاء، وأوريون . ^{[ 32 ]}

فينول الكربون

طُوِّرَت مادة الفينول الكربوني في الأصل كمادة لفوهات الصواريخ (المستخدمة في معزز الصاروخ الصلب لمكوك الفضاء ) ولأطراف أنوف مركبات العودة إلى الغلاف الجوي. عادةً ما تتناسب الموصلية الحرارية لمادة معينة من مواد الحماية الحرارية طرديًا مع كثافتها. ^{[ 33 ]} يُعد الفينول الكربوني مادة فعالة جدًا في مقاومة التآكل، ولكنه يتميز أيضًا بكثافته العالية، وهو أمر غير مرغوب فيه.

استخدم مسبار غاليليو التابع لناسا مادة الفينول الكربوني في مادة الحماية الحرارية الخاصة به. ^{[ 34 ]}

إذا كان تدفق الحرارة الذي تتعرض له المركبة الداخلة غير كافٍ لإحداث التحلل الحراري، فقد تسمح موصلية مادة نظام الحماية الحرارية (TPS) بتسرب الحرارة إلى مادة خط الربط في نظام الحماية الحرارية، مما يؤدي إلى فشله. ونتيجة لذلك، بالنسبة لمسارات الدخول التي تُسبب تدفقًا حراريًا منخفضًا، قد لا يكون استخدام الفينول الكربوني مناسبًا في بعض الأحيان، وقد تكون مواد نظام الحماية الحرارية ذات الكثافة المنخفضة، مثل الأمثلة التالية، خيارات تصميم أفضل:

جهاز استئصال خفيف الوزن للغاية

يشير اختصار SLA في SLA-561V إلى مادة عازلة فائقة الخفة . وهي مادة عازلة خاصة بشركة لوكهيد مارتن، استُخدمت كمادة أساسية للحماية الحرارية في جميع مركبات الدخول ذات المخروط الكروي بزاوية 70 درجة التي أرسلتها ناسا إلى المريخ، باستثناء مختبر علوم المريخ (MSL). تبدأ مادة SLA-561V بالتآكل بشكل ملحوظ عند تدفق حراري يبلغ حوالي 110  واط/سم² ^، ولكنها تتلف عند تدفقات حرارية تتجاوز 300  واط/سم² ^. صُممت الحماية الحرارية للغلاف الجوي لمختبر علوم المريخ حاليًا لتحمل ذروة تدفق حراري تبلغ 234  واط/سم² ^. بلغت ذروة التدفق الحراري التي تعرض لها الغلاف الجوي لمركبة فايكنغ 1 ، التي هبطت على المريخ، 21  واط/سم² ^. في فايكنغ 1 ، عملت الحماية الحرارية كعازل حراري متفحم ولم تتعرض لتآكل ملحوظ. كانت فايكنغ 1 أول مركبة هبوط على المريخ، وقد بُنيت على تصميم متحفظ للغاية. كان قطر قاعدة الغلاف الجوي لمركبة فايكنغ 3.54  متر (وهو الأكبر الذي استُخدم على سطح المريخ حتى إنشاء مختبر علوم المريخ). يتم تطبيق مادة SLA-561V عن طريق حشو المادة القابلة للتآكل في لبٍّ على شكل قرص العسل، والذي يكون ملتصقًا مسبقًا بهيكل الغلاف الجوي، مما يُتيح بناء درع حراري كبير. ^{[ 35 ]}

مادة كربونية مشبعة بالفينول

مادة الكربون المُشَرَّب بالفينول (PICA) عبارة عن ألياف كربونية مُشَرَّبة براتنج فينولي . ^{[ 36 ]} تتميز هذه المادة بانخفاض كثافتها (أخف بكثير من الكربون الفينولي) إلى جانب قدرتها الفائقة على إزالة الحرارة عند تدفقات حرارية عالية. وهي خيار مناسب لتطبيقات إزالة الحرارة، مثل ظروف التسخين القصوى العالية التي تُصادف في مهمات إعادة العينات أو مهمات العودة إلى القمر. تتميز مادة PICA بموصلية حرارية أقل من مواد إزالة الحرارة الأخرى ذات التدفقات الحرارية العالية، مثل الكربون الفينولي التقليدي.

حصل مركز أبحاث أميس التابع لناسا على براءة اختراع لمادة PICA في تسعينيات القرن الماضي، وكانت المادة الأساسية للحماية الحرارية (TPS) للغلاف الجوي لمركبة ستاردست الفضائية . ^{[ 37 ]} وكانت كبسولة ستاردست لإعادة العينات أسرع جسم من صنع الإنسان يدخل الغلاف الجوي للأرض، بسرعة 28000  ميل في الساعة (حوالي 12.5  كم/ث) على  ارتفاع 135 كم. وكانت هذه السرعة أعلى من كبسولات مهمة أبولو، وأسرع بنسبة 70% من مكوك الفضاء. ^{[ 1 ]} وكانت مادة PICA حاسمة لنجاح مهمة ستاردست، التي عادت إلى الأرض عام 2006.  وصُنع الدرع الحراري لستاردست (قطر قاعدته 0.81 متر) من قطعة واحدة متجانسة مصممة لتحمل معدل تسخين ذروي اسمي يبلغ 1.2  كيلوواط/سم² ^. كما استُخدم درع حراري من مادة PICA لدخول مختبر علوم المريخ إلى الغلاف الجوي للمريخ . ^{[ 38 ]}

بيكا-إكس

طوّرت شركة سبيس إكس نسخة محسّنة وأسهل إنتاجًا تُسمى PICA-X في الفترة ما بين 2006 و2010 ^{[ 38 ]} لكبسولة دراغون الفضائية . ^{[ 39 ]} أُجري أول اختبار عودة لدرع PICA-X الحراري على متن مهمة دراغون C1 في 8 ديسمبر 2010. ^{[ 40 ]} صُمّم درع PICA-X الحراري وطُوّر واختُبر بالكامل من قِبل فريق صغير مؤلف من اثني عشر مهندسًا وفنيًا في أقل من أربع سنوات. ^{[ 38 ]} يُعدّ تصنيع PICA-X أقل تكلفة بعشر مرات من مادة درع PICA الحراري التابعة لناسا. ^{[ 41 ]}

PICA-3

طورت شركة سبيس إكس نسخة محسنة ثانية من نظام PICA تسمى PICA-3 خلال منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. وقد تم اختبارها لأول مرة على متن مركبة كرو دراغون الفضائية في عام 2019 خلال مهمة العرض التوضيحي للطيران ، في أبريل 2019، وتم إدخالها في الخدمة المنتظمة على متن تلك المركبة الفضائية في عام 2020. ^{[ 42 ]}

هارلم

تُعدّ مادة PICA ومعظم مواد الحماية الحرارية الأخرى القابلة للاستئصال إما موادًا مملوكة أو سرية، ولا تُفصح المراجع العلمية المتاحة عن تركيباتها وعمليات تصنيعها. هذا الأمر يُقيّد قدرة الباحثين على دراسة هذه المواد ويعيق تطوير أنظمة الحماية الحرارية. ولذلك، طوّر فريق تشخيص تدفق المحتوى الحراري العالي (HEFDiG) في جامعة شتوتغارت مادةً قابلةً للاستئصال من الكربون والفينول، تُسمى مادة تجارب مختبر أبحاث الاستئصال HEFDiG (HARLEM)، باستخدام مواد متوفرة تجاريًا. تُحضّر مادة HARLEM عن طريق تشريب قالب أولي من ألياف الكربون المسامية المتجانسة (مثل عازل الكربون الصلب Calcarb) بمحلول من راتنج الفينول ريزول وبولي فينيل بيروليدون في الإيثيلين جليكول ، ثم تسخينه لبلمرة الراتنج، وبعد ذلك إزالة المذيب تحت فراغ. تُعالَج المادة الناتجة وتُشَكَّل إلى الشكل المطلوب. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

سيركا

طُوِّرَ مُستَشْرَفٌ خزفيّ قابل لإعادة الاستخدام مُشَبَّعٌ بالسيليكون (SIRCA) في مركز أبحاث ناسا أميس، واستُخدِمَ في لوحة واجهة الغلاف الخلفي (BIP) للهياكل الجوية لمركبتي مارس باثفايندر ومارس إكسبلوريشن روفر (MER). وُضِعَت لوحة واجهة الغلاف الخلفي عند نقاط التثبيت بين الغلاف الخلفي للهيكل الجوي (المعروف أيضًا بالغطاء الخلفي) وحلقة الرحلة (المعروفة أيضًا بمرحلة الرحلة). كما كان SIRCA المادة الأساسية للحماية الحرارية في مسبارات ديب سبيس 2 (DS/2) المريخية غير الناجحة، ذات الهياكل الجوية بقطر قاعدة يبلغ 0.35 متر (1.1 قدم) . SIRCA مادة عازلة متجانسة توفر الحماية الحرارية من خلال التآكل. وهي المادة الوحيدة للحماية الحرارية التي يمكن تشكيلها حسب الطلب ثم تطبيقها مباشرة على المركبة الفضائية. لا تتطلب معالجة لاحقة أو معالجة حرارية أو طلاءات إضافية (على عكس بلاطات مكوك الفضاء). بما أن مادة SIRCA قابلة للتشكيل بدقة متناهية، فيمكن استخدامها كبلاطات، أو أجزاء من الحافة الأمامية، أو أغطية كاملة للأنف، أو بأي عدد من الأشكال والأحجام المخصصة. اعتبارًا من عام 1996 تم عرض مادة SIRCA في تطبيقات واجهة الغلاف الخلفي، ولكن ليس بعد كمادة TPS للجزء الأمامي. ^{[ 45 ]}

AVCOAT

يتكون AVCOAT من ألياف السيليكا في راتنج إيبوكسي نوفولاك. ويستخدم في تصميم العديد من الدروع الحرارية المقاومة للتآكل. ^{[ 46 ]}

استخدمت ناسا هذه المادة في الأصل لوحدة القيادة في برنامج أبولو خلال ستينيات القرن الماضي، ثم وظفتها في وحدة الطاقم أوريون من الجيل التالي، المصممة للعمل في مدارات أبعد من مدار الأرض المنخفض ، والتي حلقت لأول مرة في اختبار في ديسمبر 2014، ثم دخلت الخدمة التشغيلية في نوفمبر 2022. ^{[ 47 ]} وقد أُعيدت صياغة مادة Avcoat المستخدمة في أوريون لتتوافق مع التشريعات البيئية التي سُنّت منذ انتهاء برنامج أبولو. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

العزل الحراري

يحافظ العزل الحراري على الحرارة في الطبقة الخارجية لسطح المركبة الفضائية، حيث ينقلها الهواء. ^{[ 50 ]} ترتفع درجة حرارة السطح إلى مستويات متوهجة، لذا يجب أن تتمتع المادة بنقطة انصهار عالية جدًا، وأن تتميز أيضًا بموصلية حرارية منخفضة للغاية. تميل المواد ذات هذه الخصائص إلى أن تكون هشة ودقيقة ويصعب تصنيعها بأحجام كبيرة، لذلك تُصنع عادةً على شكل بلاطات صغيرة نسبيًا تُثبّت بعد ذلك على الهيكل الخارجي للمركبة الفضائية. ثمة مفاضلة بين المتانة والموصلية الحرارية: فالمواد الأقل موصلية تكون عادةً أكثر هشاشة. استخدم مكوك الفضاء أنواعًا متعددة من البلاطات. كما تُستخدم البلاطات أيضًا في مركبة بوينغ X-37 ، ومركبة دريم تشيسر ، والمرحلة العليا من مركبة ستار شيب .

نظرًا لعدم إمكانية تحقيق عزل حراري مثالي، تُخزَّن بعض الطاقة الحرارية في العازل وفي المادة الأساسية ("التشبع الحراري")، ويجب تبديدها بعد خروج المركبة الفضائية من نطاق الطيران ذي درجات الحرارة العالية. سيشع جزء من هذه الحرارة عبر السطح أو سينتقل بعيدًا عنه بفعل الحمل الحراري، بينما سيسخن جزء آخر هيكل المركبة الفضائية وداخلها، مما قد يستدعي تبريدًا فعالًا بعد الهبوط. ^{[ 50 ]}

تتمتع بلاطات الحماية الحرارية النموذجية لمكوك الفضاء ( LI-900 ) بخصائص حماية حرارية فائقة. فعند تعريض بلاطة LI-900 لدرجة حرارة 1000 كلفن من جانب واحد، يبقى الجانب الآخر دافئًا عند اللمس. مع ذلك، فهي هشة نسبيًا وتتكسر بسهولة، ولا تتحمل المطر أثناء الطيران. ^{[ 51 ]}

التبريد السلبي

في بعض المركبات الفضائية الباليستية المبكرة (مثل Mk-2 ومركبة ميركوري شبه المدارية )، استُخدمت أنظمة الحماية الحرارية المبردة بالإشعاع لامتصاص تدفق الحرارة مبدئيًا أثناء النبضة الحرارية، ثم بعد انقضاء النبضة، تشع الحرارة المخزنة وتعيدها إلى الغلاف الجوي. مع ذلك، تطلبت النسخة السابقة من هذه التقنية كمية كبيرة من أنظمة الحماية الحرارية المعدنية (مثل التيتانيوم ، والبريليوم ، والنحاس ، إلخ). يفضل المصممون المعاصرون تجنب هذه الكتلة الإضافية باستخدام أنظمة الحماية الحرارية القابلة للتآكل والمعالجة الحرارية.

تعتمد أنظمة الحماية الحرارية التي تعتمد على الانبعاثية على استخدام طلاءات ذات انبعاثية عالية لتسهيل التبريد الإشعاعي ، بينما تعمل طبقة خزفية مسامية تحتها على حماية الهيكل من درجات الحرارة السطحية المرتفعة. وتُعدّ قيم الانبعاثية العالية والمستقرة حراريًا، إلى جانب الموصلية الحرارية المنخفضة، عنصرًا أساسيًا في فعالية هذه الأنظمة. ^{[ 52 ]}

تُستخدم أنظمة الحماية الحرارية المبردة بالإشعاع في المركبات الفضائية الحديثة، ولكن عادةً ما يُستخدم الكربون المقوى بالكربون (RCC) (ويُسمى أيضًا الكربون-كربون ) بدلاً من المعدن. كان الكربون المقوى بالكربون مادة نظام الحماية الحرارية في مخروط أنف مكوك الفضاء والحواف الأمامية للجناح، كما اقتُرح استخدامه كمادة للحافة الأمامية للمركبة الفضائية X-33 . يُعد الكربون أكثر المواد المعروفة مقاومةً للحرارة، حيث تبلغ درجة حرارة التسامي للجرافيت عند ضغط جوي واحد 3825 درجة مئوية (6917 درجة فهرنهايت) . هذه الحرارة العالية جعلت الكربون خيارًا بديهيًا كمادة لنظام الحماية الحرارية المبرد بالإشعاع. من عيوب الكربون المقوى بالكربون أنه مكلف التصنيع حاليًا، وثقيل الوزن، ويفتقر إلى مقاومة عالية للصدمات. ^{[ 53 ]}  

تتعامل بعض الطائرات عالية السرعة ، مثل طائرة SR-71 بلاكبيرد وطائرة الكونكورد ، مع درجات حرارة مماثلة لتلك التي تتعرض لها المركبات الفضائية، ولكن بكثافة أقل بكثير، ولمدة ساعات متواصلة. وكشفت دراسات أجريت على غلاف التيتانيوم لطائرة SR-71 أن الهيكل المعدني استعاد قوته الأصلية من خلال عملية التلدين نتيجة التسخين الديناميكي الهوائي. أما في حالة طائرة الكونكورد، فقد سُمح لمقدمة الألومنيوم بالوصول إلى درجة حرارة تشغيل قصوى تبلغ 127 درجة مئوية (261 درجة فهرنهايت) (أي ما يقارب 180 درجة مئوية (324 درجة فهرنهايت) أعلى من درجة حرارة الهواء المحيط التي تقل عادةً عن الصفر)؛ وكانت الآثار المعدنية (فقدان الصلابة ) المرتبطة بارتفاع درجة الحرارة القصوى هي أهم العوامل التي تحدد السرعة القصوى للطائرة.    

يُطلق على نظام الحماية الحرارية المبرد بالإشعاع لمركبة دخول الغلاف الجوي اسم نظام الحماية الحرارية المعدني الساخن . وقد دعت التصاميم الأولية لأنظمة الحماية الحرارية لمكوك الفضاء إلى استخدام نظام حماية حرارية معدني ساخن قائم على سبيكة فائقة من النيكل (أُطلق عليها اسم René 41 ) وألواح من التيتانيوم. ^{[ 54 ]} إلا أن هذا المفهوم لنظام الحماية الحرارية للمكوك رُفض، لاعتقادهم بأن نظام الحماية الحرارية القائم على بلاطات السيليكا سيُقلل من تكاليف التطوير والتصنيع. ثم اقتُرح نظام حماية حرارية قائم على سبيكة فائقة من النيكل وألواح من التيتانيوم مرة أخرى للنموذج الأولي غير الناجح للمركبة الفضائية X-33 أحادية المرحلة إلى المدار (SSTO). ^{[ 55 ]}

طُوِّرت مؤخرًا مواد جديدة لأنظمة الحماية الحرارية المبردة بالإشعاع، والتي قد تتفوق على السيراميك المبرد بالإشعاع. تُعرف هذه المواد باسم السيراميك فائق الحرارة ، وقد طُوِّرت خصيصًا للمركبة النموذجية "مسبار الأبحاث الديناميكية الهوائية فائقة السرعة" (SHARP). تعتمد هذه المواد على ثنائي بوريد الزركونيوم وثنائي بوريد الهافنيوم . وقد أظهرت أنظمة الحماية الحرارية لمركبة SHARP تحسينات ملحوظة في الأداء، مما يسمح بالتحليق المستدام بسرعة 7 ماخ على مستوى سطح البحر، والتحليق بسرعة 11 ماخ على ارتفاع 30,000 متر ، بالإضافة إلى تحسينات كبيرة للمركبات المصممة للتحليق المستمر بسرعات تفوق سرعة الصوت. تُمكّن مواد SHARP من تصميم حواف أمامية حادة ومخاريط أنفية تُقلل بشكل كبير من مقاومة الهواء للطائرات الفضائية والأجسام الرافعة التي تعمل بنظام الدفع ذي الدورة المركبة. وقد أظهرت مواد SHARP خصائص فعالة لأنظمة الحماية الحرارية من الصفر إلى أكثر من 2000 درجة مئوية ، مع نقاط انصهار تتجاوز 3500 درجة مئوية . تتميز هذه المواد بقوة هيكلية أكبر من الخرسانة المسلحة بالألياف، وبالتالي لا تتطلب تدعيمًا هيكليًا بمواد مثل إنكونيل. كما تتميز مواد SHARP بكفاءة عالية في إعادة إشعاع الحرارة الممتصة، مما يُغني عن الحاجة إلى نظام حماية حراري إضافي خلفها وبينها وبين هيكل المركبة التقليدي. في البداية، مولت وكالة ناسا (ثم أوقفت) برنامجًا بحثيًا وتطويريًا متعدد المراحل من خلال جامعة مونتانا عام 2001 لاختبار مواد SHARP على مركبات تجريبية. ^{[ 56 ] [ 57 ]}     

في عام 2004، أثبت مصمم الطائرات بيرت روتان جدوى استخدام جناح متغير الشكل للعودة إلى الغلاف الجوي، وذلك من خلال مركبة الفضاء شبه المدارية "سبيس شيب ون ". تدور أجنحة هذه المركبة للأعلى لتتخذ وضعية الريش ، مما يُحدث تأثيرًا مشابهًا لتأثير كرة الريشة . وبذلك، تحقق "سبيس شيب ون" مقاومة هوائية أكبر بكثير عند العودة إلى الغلاف الجوي دون التعرض لأحمال حرارية كبيرة.

يؤدي هذا التصميم إلى زيادة مقاومة الهواء، حيث تصبح المركبة أقل انسيابية، مما ينتج عنه اصطدام المزيد من جزيئات الغاز الجوي بالمركبة الفضائية على ارتفاعات أعلى من المعتاد. وبالتالي، تتباطأ المركبة بشكل أكبر في الطبقات العليا من الغلاف الجوي، وهو ما يُعدّ مفتاحًا أساسيًا للعودة الفعّالة إلى الغلاف الجوي. ثانيًا، ستُوجّه المركبة نفسها تلقائيًا في هذه الحالة إلى وضعية مقاومة هواء عالية. ^{[ 63 ]}

ومع ذلك، فإن السرعة التي تصل إليها المركبة الفضائية SpaceShipOne قبل إعادة الدخول أقل بكثير من سرعة المركبة الفضائية المدارية، ويدرك المهندسون، بمن فيهم روتان، أن تقنية إعادة الدخول التدريجي غير مناسبة للعودة من المدار.

في 4 مايو 2011، أُجري أول اختبار لآلية ريش المظلة على متن المركبة الفضائية "سبيس شيب تو" أثناء رحلة انزلاقية بعد انفصالها عن المركبة الفضائية "وايت نايت تو". وكان النشر المبكر لنظام ريش المظلة مسؤولاً عن تحطم المركبة الفضائية "في إس إس إنتربرايز " عام 2014 ، حيث تفككت المركبة، مما أسفر عن مقتل مساعد الطيار.

وصف دين تشابمان من اللجنة الاستشارية الوطنية للملاحة الجوية (NACA) عملية إعادة الدخول ذات الريش لأول مرة في عام 1958. ^{[ 64 ]} في قسم تقريره عن الدخول المركب ، وصف تشابمان حلاً للمشكلة باستخدام جهاز عالي السحب:

قد يكون من المستحسن الجمع بين الدخول باستخدام الرفع والدخول بدون رفع لتحقيق بعض المزايا... من الواضح أن استخدام مركبة رافعة مفيدٌ لتحسين القدرة على المناورة أثناء الهبوط. مع ذلك، فإن إجمالي الحرارة التي تمتصها المركبة الرافعة أعلى بكثير من تلك التي تمتصها المركبة غير الرافعة... يمكن تصنيع المركبات غير الرافعة بسهولة أكبر... باستخدام، على سبيل المثال، جهاز سحب كبير وخفيف... كلما كبر حجم الجهاز، قلّ معدل التسخين.

تُعد المركبات غير الرافعة ذات الثبات الشبيه بكرة الريشة مفيدة أيضًا من وجهة نظر الحد الأدنى من متطلبات التحكم أثناء الدخول.

... من الواضح أن أحد أنواع الدخول المركبة، التي تجمع بين بعض الميزات المرغوبة لمسارات الرفع وعدم الرفع، هو الدخول أولاً بدون رفع ولكن مع ... جهاز سحب؛ ثم، عندما تنخفض السرعة إلى قيمة معينة ... يتم التخلص من الجهاز أو سحبه، تاركًا مركبة رفع ... لبقية الهبوط.

يستفيد التباطؤ اللازم لإعادة الدخول إلى الغلاف الجوي، وخاصة في مهمات العودة إلى المريخ ذات السرعة العالية، من زيادة "مساحة السحب لنظام الدخول إلى أقصى حد. فكلما زاد قطر الغلاف الجوي، زادت الحمولة التي يمكن حملها." ^{[ 65 ]} يوفر الغلاف الجوي القابل للنفخ بديلاً لزيادة مساحة السحب بتصميم منخفض الكتلة.

ناسا IRVE

أطلقت وكالة ناسا مركبة فضائية تجريبية مزودة بدرع حراري قابل للنفخ في 17 أغسطس/آب 2009، وذلك في أول رحلة تجريبية ناجحة لتجربة مركبة العودة القابلة للنفخ (IRVE). تم تغليف الدرع الحراري بتفريغ الهواء داخل غلاف حمولة قطره 38 سم (15 بوصة) ، وأُطلق على متن صاروخ بلاك برانت 9 من منشأة والوبس للطيران التابعة لناسا في جزيرة والوبس، بولاية فرجينيا. بعد دقائق من الإطلاق، نفخ النيتروجين الدرع الحراري، الذي يبلغ قطره 3 أمتار (10 أقدام)، والمصنوع من عدة طبقات من نسيج كيفلار المغطى بالسيليكون ، ليأخذ شكل الفطر في الفضاء. ^{[ 65 ]} بلغ الصاروخ نقطة أوج مساره على ارتفاع 211 كيلومترًا (131 ميلًا)، حيث بدأ هبوطه إلى سرعة تفوق سرعة الصوت. وبعد أقل من دقيقة، تم فصل الدرع عن غلافه لينتفخ على ارتفاع 200 كيلومتر (124 ميلًا) . استغرقت عملية انتفاخ الدرع أقل من 90 ثانية. ^{[ 65 ]}    

LOFTID

تم إطلاق مركبة إعادة دخول قابلة للنفخ بطول 6 أمتار (20 قدمًا) ، وهي اختبار طيران مدار أرضي منخفض لمُبطئ قابل للنفخ ( LOFTID )، ^{[ 72 ]} في نوفمبر 2022، وتم نفخها في المدار، ودخلت بسرعة أكبر من 25 ماخ، وتم استعادتها بنجاح في 10 نوفمبر. 

هناك أربعة معايير حاسمة تؤخذ في الاعتبار عند تصميم مركبة للدخول إلى الغلاف الجوي: ^{[ 73 ]}

1. ذروة التدفق الحراري
2. الحمل الحراري
3. تباطؤ الذروة
4. ذروة الضغط الديناميكي

يُحدد كلٌ من ذروة التدفق الحراري والضغط الديناميكي مادة نظام الحماية الحرارية. ويُحدد الحمل الحراري سُمك طبقات مادة هذا النظام. وتُعد ذروة التباطؤ ذات أهمية بالغة للرحلات المأهولة. ويبلغ الحد الأقصى للتسارع لعودة رواد الفضاء المأهولين إلى الأرض من مدار أرضي منخفض أو من القمر 10 أضعاف تسارع الجاذبية الأرضية . ^{[ 74 ]} أما بالنسبة لدخول الغلاف الجوي للمريخ بعد التعرض الطويل لانعدام الجاذبية، فيبلغ الحد الأقصى 4 أضعاف تسارع الجاذبية الأرضية . ^{[ 74 ]} كما يُمكن أن يؤثر الضغط الديناميكي الأقصى على اختيار مادة الطبقة الخارجية لنظام الحماية الحرارية إذا كان التفتت يُشكل مشكلة. ويمكن تقييم معايير تصميم مركبة العودة من خلال المحاكاة العددية، بما في ذلك تبسيط ديناميكيات المركبة، مثل معادلات العودة المستوية وعلاقات التدفق الحراري. ^{[ 75 ]}

انطلاقًا من مبدأ التصميم المحافظ ، يأخذ المهندس عادةً في الاعتبار مسارين كارثيين : مسار التجاوز ومسار الانحدار. يُعرَّف مسار الانحدار عادةً بأنه أقل زاوية مسموح بها لسرعة الدخول قبل الانطلاق من الغلاف الجوي . يتميز مسار الانحدار بأعلى حمل حراري، وهو ما يحدد سُمك نظام الحماية الحرارية. أما مسار الانحدار، فيُعرَّف بأنه أكثر مسار انحدارًا مسموحًا به. في المهمات المأهولة، تكون زاوية الدخول القصوى محدودة بذروة التباطؤ. كما يتميز مسار الانحدار بأعلى ذروة لتدفق الحرارة والضغط الديناميكي. وبالتالي، يُعد مسار الانحدار أساسًا لاختيار مادة نظام الحماية الحرارية. لا توجد مادة واحدة تناسب جميع حالات أنظمة الحماية الحرارية. قد تكون مادة نظام الحماية الحرارية المثالية لتدفق حراري عالٍ موصلة للحرارة بشكل مفرط (كثيفة جدًا) لحمل حراري طويل الأمد. وقد تفتقر مادة نظام الحماية الحرارية منخفضة الكثافة إلى قوة الشد اللازمة لمقاومة التقشر إذا كان الضغط الديناميكي مرتفعًا جدًا. يمكن لمادة نظام الحماية الحرارية أن تؤدي أداءً جيدًا عند ذروة تدفق حراري محددة، ولكنها قد تفشل فشلًا ذريعًا عند نفس ذروة التدفق الحراري إذا زاد ضغط الجدار بشكل كبير (حدث هذا مع مركبة الاختبار الفضائية R-4 التابعة لناسا). ^{[ 74 ]} تميل مواد أنظمة الحماية الحرارية القديمة إلى أن تكون أكثر استهلاكًا للعمالة وأعلى تكلفة في التصنيع مقارنةً بالمواد الحديثة. ومع ذلك، غالبًا ما تفتقر مواد أنظمة الحماية الحرارية الحديثة إلى سجل التجارب العملية للمواد القديمة (وهو اعتبار مهم للمصمم الذي يتجنب المخاطر).

استنادًا إلى اكتشاف ألين وإيغرز، فإن أقصى قدر من عدم استدارة الغلاف الجوي (أقصى مقاومة) يُؤدي إلى أدنى كتلة لنظام الحماية من الصدمات. كما أن أقصى قدر من عدم الاستدارة (أدنى معامل باليستي) يُؤدي أيضًا إلى أدنى سرعة نهائية عند أقصى ارتفاع (وهو أمر بالغ الأهمية لمركبات الهبوط والهبوط على المريخ، ولكنه ضار بالمركبات الاستطلاعية العسكرية). ومع ذلك، هناك حد أقصى لعدم الاستدارة تفرضه اعتبارات الاستقرار الديناميكي الهوائي بناءً على انفصال الموجة الصدمية . ستبقى الموجة الصدمية ملتصقة بطرف المخروط الحاد إذا كانت زاوية نصف المخروط أقل من قيمة حرجة. يمكن تقدير هذه الزاوية الحرجة باستخدام نظرية الغاز المثالي (يحدث هذا النوع من عدم الاستقرار الديناميكي الهوائي عند سرعات أقل من سرعة الصوت). بالنسبة لغلاف جوي من النيتروجين (الأرض أو تيتان)، فإن أقصى زاوية نصف مسموح بها تبلغ حوالي 60 درجة. أما بالنسبة لغلاف جوي من ثاني أكسيد الكربون (المريخ أو الزهرة)، فإن أقصى زاوية نصف مسموح بها تبلغ حوالي 70 درجة. بعد انفصال المركبة عن طبقة الصدمة، يجب أن تحمل كمية أكبر بكثير من غاز طبقة الصدمة حول نقطة الركود عند الحافة الأمامية (الغطاء دون الصوتي). ونتيجة لذلك، يتحرك المركز الديناميكي الهوائي عكس اتجاه التيار، مما يُسبب عدم استقرار ديناميكي هوائي. من غير الصحيح إعادة تطبيق تصميم الغلاف الهوائي المُصمم لدخول تيتان ( مسبار هيغنز في جو من النيتروجين) لدخول المريخ ( بيغل 2 في جو من ثاني أكسيد الكربون). قبل التخلي عنه، حقق برنامج الهبوط السوفيتي على المريخ هبوطًا ناجحًا واحدًا ( مارس 3 )، في المحاولة الثانية من أصل ثلاث محاولات دخول (المحاولتان الأخريان هما مارس 2 ومارس 6 ). استندت مركبات الهبوط السوفيتية على المريخ إلى تصميم غلاف هوائي بزاوية نصفية 60 درجة.

يُستخدم عادةً مخروط كروي بزاوية نصفية 45 درجة في المجسات الجوية (دون قصد الهبوط على سطح الكوكب)، حتى وإن لم يتم تقليل كتلة نظام الحماية الحرارية. ويكمن السبب وراء استخدام هذه الزاوية في تحقيق الاستقرار الديناميكي الهوائي من لحظة دخول الغلاف الجوي وحتى لحظة الاصطدام (دون أن يتم التخلص من الدرع الحراري)، أو في توليد نبضة حرارية قصيرة وحادة يتبعها انفصال فوري للدرع الحراري. وقد استُخدم تصميم المخروط الكروي بزاوية 45 درجة في مسبار DS/2 المريخي ومسبار بايونير الزهرة .

لم تكن جميع عمليات إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي ناجحة تماماً:

• فوسخود 2  – فشلت وحدة الخدمة في الانفصال لبعض الوقت، لكن الطاقم نجا.
• سويوز 5  – فشلت وحدة الخدمة في الانفصال، لكن الطاقم نجا.
• أبولو 15  - تعطلت إحدى مظلات الهبوط الثلاث أثناء الهبوط في المحيط، على الأرجح نتيجة لتسرب الوقود الزائد من المركبة الفضائية. صُممت المركبة للهبوط بأمان باستخدام مظلتين فقط، ولم يُصب أي من أفراد الطاقم بأذى.
• مركبة الهبوط القطبية على المريخ  – فشلت أثناء عملية الهبوط. يُعتقد أن الفشل ناتج عن خطأ برمجي. السبب الدقيق غير معروف لعدم توفر بيانات القياس عن بُعد في الوقت الفعلي .
• تسببت مجموعة من الأضرار التي لحقت بمكوك الفضاء كولومبيا في مهمة STS-1  ، نتيجةً لأضرارٍ جسيمةٍ لحقت بالمركبة المدارية، منها أضرارٌ ناتجةٌ عن عملية الإطلاق، وبروزٌ في قطعة حشو الفراغات، وخطأٌ في تركيب البلاطات. لم يكن الطاقم على درايةٍ كاملةٍ بهذه الأضرار قبل محاولة العودة إلى الغلاف الجوي، لكانوا قد رفعوا المكوك إلى ارتفاعٍ آمنٍ ثم قفزوا بالمظلات. ومع ذلك، فقد تمت عملية العودة بنجاح، وهبطت المركبة المدارية هبوطًا طبيعيًا.
• مكوك الفضاء أتلانتس STS-27  - اصطدمت قطعة عازلة من غطاء مقدمة الصاروخ الصلب الأيمن بالمكوك أثناء الإطلاق، مما أدى إلى تلف كبير في البلاطات. وقد تسبب ذلك في انفصال بلاطة واحدة تمامًا فوق لوحة تثبيت ألومنيوم لهوائي TACAN. تعرض الهوائي لأضرار حرارية بالغة، لكنه منع الغاز الساخن من اختراق هيكل المركبة.

• جينيسيس  – لم تُفتح المظلة بسبب تركيب مفتاح التسارع بشكل معكوس (حدث خطأ مماثل أدى إلى تأخير فتح المظلة في مسبار غاليليو ). ونتيجة لذلك، تحطمت مركبة جينيسيس في أرض الصحراء. تضررت الحمولة، ولكن أمكن استعادة معظم البيانات العلمية.
• سويوز TMA-11  – فشلت وحدة الدفع سويوز في الانفصال بشكل صحيح؛ وتم تنفيذ عملية إعادة دخول باليستية عكسية عرضت الطاقم لتسارعات تعادل حوالي 8 أضعاف الجاذبية الأرضية القياسية (78 م/ث² ⁾ . [ ^{76 ] نجا} الطاقم. 
• ستار شيب IFT-3 : كان من المفترض أن تنتهي رحلة الاختبار المتكاملة الثالثة لمركبة ستار شيب التابعة لشركة سبيس إكس بهبوط قوي في المحيط الهندي . إلا أنه بعد حوالي 48.5 دقيقة من الإطلاق، وعلى ارتفاع 65 كيلومترًا، انقطع الاتصال بالمركبة الفضائية، مما يشير إلى احتراقها أثناء دخولها الغلاف الجوي. وقد نتج ذلك عن ميلان المركبة المفرط بسبب انسداد فتحات التهوية فيها. ^{[ 77 ]}
• كان من المقرر أن تنتهي مهمة Starship IFT-9 - IFT 9 بهبوط ناعم قبالة الساحل الغربي لأستراليا، لكن انفجار جزء في منطقة الحمولة بعد إيقاف المحرك الثاني أدى إلى ضغط عالٍ وتهوية مفرطة داخل مقدمة المركبة، مما أدى إلى إجهاض اختبار نشر الحمولة والاحتراق في الفضاء، ودخول Starship في وضع غير طبيعي مما أدى إلى تفككها أثناء الدخول في حوالي T+46:48 بعد الإطلاق.

وقد أسفرت بعض عمليات إعادة الدخول عن كوارث كبيرة:

• سويوز 1  - تعطل نظام التحكم في الوضعية أثناء وجود المركبة في المدار، ثم تشابكت المظلات خلال عملية الهبوط الاضطراري (فشل الدخول والهبوط). توفي رائد الفضاء الوحيد فلاديمير ميخائيلوفيتش كوماروف .
• سويوز 11  - أثناء انفصال الوحدات الثلاث، تم فتح ختم الصمام بسبب الصدمة، مما أدى إلى انخفاض الضغط في وحدة الهبوط؛ اختنق الطاقم المكون من ثلاثة أفراد في الفضاء قبل دقائق من إعادة الدخول.
• مكوك الفضاء كولومبيا STS-107  – أدى فشل لوحة الكربون الكربوني المقوى على الحافة الأمامية للجناح نتيجة اصطدام الحطام عند الإطلاق إلى تفكك المركبة المدارية عند دخولها الغلاف الجوي، مما أسفر عن وفاة جميع أفراد الطاقم السبعة.

من بين الأقمار الصناعية التي تعود إلى الغلاف الجوي، قد تصل نسبة تتراوح بين 10 و40% من كتلة الجسم إلى سطح الأرض. ^{[ 78 ]} في المتوسط، كان هناك جسم واحد مسجل يعود إلى الغلاف الجوي يوميًا تقريبًا اعتبارًا من عام 2014.[ ^{79 ]​}

نظراً لأن سطح الأرض يتكون في معظمه من الماء، فإن معظم الأجسام التي تنجو من دخول الغلاف الجوي تهبط في أحد محيطات العالم. ويُقدّر احتمال تعرض أي شخص للإصابة خلال حياته بنحو واحد من كل تريليون. ^{[ 80 ]}

في 24 يناير 1978، دخل القمر الصناعي السوفيتي كوزموس 954 ( وزنه 3800 كيلوغرام [8400 رطل] ) الغلاف الجوي وسقط بالقرب من بحيرة جريت سليف في الأقاليم الشمالية الغربية لكندا. كان القمر الصناعي يعمل بالطاقة النووية، وقد خلّف حطامًا مشعًا بالقرب من موقع سقوطه. ^{[ 81 ]} 

في 11 يوليو 1979، دخلت محطة الفضاء الأمريكية سكايلاب ( 77,100 كيلوغرام [170,000 رطل] ) الغلاف الجوي، ونثرت حطامها في المناطق النائية الأسترالية . ^{[ 82 ]} شكّل دخولها الغلاف الجوي حدثًا إعلاميًا بارزًا، ويعود ذلك جزئيًا إلى حادثة كوزموس 954، إلا أنه لم يُنظر إليه ككارثة محتملة نظرًا لعدم حملها وقودًا نوويًا سامًا أو وقود هيدرازين . كانت ناسا تأمل في البداية استخدام مهمة مكوك فضائي إما لتمديد عمرها أو لتمكين دخولها الغلاف الجوي بشكل مُتحكم فيه، لكن التأخيرات في برنامج المكوك، بالإضافة إلى النشاط الشمسي المرتفع بشكل غير متوقع، حالت دون ذلك. ^{[ 83 ] [ 84 ]} 

في 7 فبراير 1991، دخلت محطة الفضاء السوفيتية ساليوت 7 ( 19820 كيلوغرامًا [43700 رطل] )، مع وحدة كوسموس 1686 ( 20000 كيلوغرام [44000 رطل] ) الملحقة بها، الغلاف الجوي وتناثر حطامها فوق بلدة كابيتان بيرموديز في الأرجنتين. ^{[ 85 ] [ 54 ] [ 86 ]} وكانت المحطة قد رُفعت إلى مدار أعلى في أغسطس 1986 في محاولة لإبقائها في المدار حتى عام 1994، ولكن في سيناريو مشابه لسيناريو سكايلاب، أُلغي مكوك بوران المخطط له ، وتسبب النشاط الشمسي العالي في هبوطها قبل الموعد المتوقع.  

في 7 سبتمبر/أيلول 2011، أعلنت وكالة ناسا عن دخول قمر أبحاث الغلاف الجوي العلوي ( 6540 كيلوغرامًا [14420 رطلًا] ) إلى الغلاف الجوي بشكل وشيك وغير متحكم فيه، وأشارت إلى وجود خطر ضئيل على العامة. ^{[ 87 ]} دخل القمر الصناعي، الذي تم إيقاف تشغيله، الغلاف الجوي في 24 سبتمبر/أيلول 2011، ويُفترض أن بعض أجزائه قد تحطمت في جنوب المحيط الهادئ فوق حقل حطام يمتد على طول 800 كيلومتر (500 ميل) . ^{[ 88 ]}  

في الأول من أبريل/نيسان 2018، دخلت محطة الفضاء الصينية تيانغونغ-1 ( وزنها 8510 كيلوغرامات [18760 رطلاً] ) الغلاف الجوي فوق المحيط الهادئ، في منتصف المسافة بين أستراليا وأمريكا الجنوبية. ^{[ 89 ]} وكان مكتب هندسة الفضاء المأهول الصيني يعتزم التحكم في عملية الدخول، لكنه فقد الاتصال بالبيانات والتحكم في مارس/آذار 2017. ^{[ 90 ]} 

في 11 مايو/أيار 2020، دخلت المرحلة الأساسية من الصاروخ الصيني لونغ مارش 5B ( COSPAR ID 2020-027C)، الذي يزن حوالي 20,000 كيلوغرام (44,000 رطل )، الغلاف الجوي بشكل غير متحكم به فوق المحيط الأطلسي، بالقرب من ساحل غرب أفريقيا. ^{[ 91 ] [ 92 ]} وتشير التقارير إلى أن بعض قطع حطام الصاروخ نجت من دخول الغلاف الجوي وسقطت على قريتين على الأقل في ساحل العاج . ^{[ 93 ] [ 94 ]} 

في 8 مايو/أيار 2021، دخلت المرحلة الأساسية من الصاروخ الصيني لونغ مارش 5B ( رقم تعريف COSPAR: 2021-0035B)، الذي يزن 23000 كيلوغرام (51000 رطل )، الغلاف الجوي بشكل غير متحكم به، غرب جزر المالديف في المحيط الهندي (عند خط طول 72.47 درجة شرقًا وخط عرض 2.65 درجة شمالًا تقريبًا). ^{[ 95 ]} وأفاد شهود عيان برؤية حطام الصاروخ على مسافة تصل إلى شبه الجزيرة العربية. ^{[ 96 ]} 

إن دخول الغلاف الجوي له تأثير قابل للقياس على الغلاف الجوي للأرض ، وخاصة طبقة الستراتوسفير .

شكلت كتلة دخول المركبات الفضائية إلى الغلاف الجوي 3% مقارنةً بدخول النيازك في عام 2019، ولكن في حال تنفيذ عدد كبير من الأقمار الصناعية المقترحة لشبكات الإنترنت ، ستشكل عمليات الدخول الاصطناعية 40% مقارنةً بدخول النيازك. ^{[ 98 ] [ 99 ]} يختلف تأثير احتراق المركبات الفضائية في الغلاف الجوي أثناء دخولها الاصطناعي عن تأثير النيازك نظرًا لكبر حجم المركبات الفضائية عمومًا واختلاف تركيبها. وقد تم رصد الملوثات الجوية الناتجة عن الاحتراق الاصطناعي في الغلاف الجوي، وتحديدها على أنها تتفاعل مع تركيب الغلاف الجوي، وخاصة طبقة الأوزون، وربما تؤثر عليه سلبًا . ^{[ 98 ] [ 100 ]}

إنّ مراعاة استدامة الفضاء فيما يتعلق بتأثيرات إعادة دخول المركبات الفضائية إلى الغلاف الجوي لا تزال في طور التطور بحلول عام 2022 ^{[ 101 ]} ، وقد تمّ تحديدها في عام 2024 على أنها تعاني من "تجاهل الغلاف الجوي"، مما يتسبب في ظلم بيئي عالمي . ^{[ 102 ]} ويُعزى ذلك إلى الإدارة الحالية للمركبات الفضائية عند انتهاء عمرها الافتراضي، والتي تُفضّل ممارسة الحفاظ على المحطة من خلال إعادة الدخول المُتحكّم بها. ^{[ 102 ]} ويتمّ ذلك بشكل أساسي لمنع مخاطر الدخول غير المُتحكّم به إلى الغلاف الجوي والحطام الفضائي . ^{[ 102 ]}

تشمل البدائل المقترحة استخدام مواد أقل تلويثًا للبيئة، وإجراء الصيانة في المدار، وربما إعادة التدوير في الفضاء. ^{[ 101 ] [ 102 ]}

• 
  مركبة سيغنوس تعود إلى الغلاف الجوي، كما تُرى من محطة الفضاء الدولية
• 
  صورة مقرّبة لمسيرة العودة (سويوز)
• 
  أثر البلازما الناتج عن العودة المبكرة (سويوز)
• 
  التقدم أثناء دخول الغلاف الجوي فوق الأرض
• 
  عودة مكوك الفضاء إلى الغلاف الجوي
• 
  منظر من قمرة قيادة مكوك الفضاء أثناء العودة إلى الغلاف الجوي

• لاونيوس، روجر د.؛ جينكينز، دينيس ر. (10 أكتوبر 2012). العودة إلى الوطن: إعادة الدخول والاستعادة من الفضاء . ناسا. ISBN 9780160910647. OCLC 802182873 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أغسطس 2014 . 
• مارتن، جون ج. (1966). دخول الغلاف الجوي - مقدمة في علمه وهندسته . أولد تابان، نيو جيرسي: برنتيس هول.
• ريغان، فرانك ج. (1984). ديناميكيات مركبات العودة إلى الغلاف الجوي (سلسلة AIAA التعليمية) . نيويورك: المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية. ISBN 978-0-915928-78-1.
• إتكين، برنارد (1972). ديناميكيات الطيران الجوي . نيويورك: جون وايلي وأولاده، رقم ISBN 978-0-471-24620-6.
• فينسينتي، والتر ج.؛ كروجر الابن، تشارلز هـ. (1986). مقدمة في ديناميكا الغازات الفيزيائية . مالابار، فلوريدا: شركة روبرت إي. كريجر للنشر . ISBN 978-0-88275-309-6.
• هانسن، سي. فريدريك (1976). الفيزياء الجزيئية للغازات المتوازنة، دليل للمهندسين . ناسا. رمز Bibcode : 1976mpeg.book.....H . ناسا SP-3096.
• هايز، والاس د.؛ بروبستين، رونالد ف. (1959). نظرية التدفق فوق الصوتي . نيويورك ولندن: أكاديميك برس. Bibcode : 1959hft..book.....H .أُعيد إصدار نسخة منقحة من هذا النص الكلاسيكي في طبعة ورقية رخيصة الثمن: هايز، والاس د. (1966). التدفق غير اللزج فوق الصوتي . مينولا، نيويورك: منشورات دوفر. ISBN 978-0-486-43281-6.أعيد إصداره في عام 2004
• أندرسون، جون د. الابن (1989). ديناميكا الغازات فوق الصوتية وذات درجات الحرارة العالية . نيويورك: ماكجرو هيل، إنك. ISBN 978-0-07-001671-2.

• توفر أداة تحليل مهمة الالتقاط الجوي (AMAT) إمكانية التحليل الأولي للمهمة والمحاكاة لمركبات دخول الغلاف الجوي في وجهات مختلفة في النظام الشمسي.
• مركز دراسات الحطام المداري والداخلي (مؤسسة الفضاء الجوي)
• مرحلة دخول أبولو للغلاف الجوي ، 1968، قسم تخطيط وتحليل مهمات ناسا، مشروع أبولو. فيديو (25:14).
• درع بوران الحراري
• مقال في موسوعة رواد الفضاء حول تاريخ مركبات الإنقاذ الفضائية، بما في ذلك بعض تصميمات مركبات العودة إلى الغلاف الجوي.