月軌道以遠から無人宇宙機が直接地球の大気圏に再突入した事例は、2004年9月のジェネシス、2006年1月のスターダスト（いずれもサンプルリターン用カプセルのみ）、2010年6月のはやぶさ（はやぶさ本体およびサンプルリターン用カプセル）がある。月軌道も含めれば1970年 - 1976年に行なわれたルナ計画のサンプルリターン機（16・20・24号）も挙げられる。また着陸機でないものも含めると、嫦娥5号T1も月周回後に地球に帰還している。さらに、大気圏（地球の大気を参照）や再突入の定義にもよるが、はやぶさと同じ MUSESシリーズの元祖ひてんも1991年に月以遠の軌道から上空120 kmの地球大気で空力ブレーキを成功させ軌道変更に成功している。これらはいずれも高速度で再突入している点が特徴である。地球重力圏の限界や月軌道から突入した探査機で11 km/s程度、惑星軌道から帰還したはやぶさとスターダストは12 km/sを超える再突入速度を記録している。
物体が大気圏に突入する際には、熱の壁による空力加熱（断熱圧縮）が発生し、例えば標準大気でマッハ3の突入速度の場合、理論値でよどみ点温度は350℃を超える（「空気との摩擦」により温度が上昇すると言われるが誤りである）。再突入の条件は、適切な軌道離脱タイミングと機体の角度（進入角度とはいわない）である。タイミングがわずかでもずれると着陸地点が大幅に変わる。また、「角度が浅いと大気に弾かれる」というのは間違った解釈である。有人宇宙船の場合は、進行方向に対し斜めの姿勢をとるなどして大気で揚力を発生させて「滑空」することで速度や高度を調整し、最高温度の上昇を防ぐと同時に、宇宙飛行士にかかる加速度を軽減するのが一般的である。 アポロ宇宙船の頃から、初期のスペースシャトルにおいても、再突入時に宇宙船がプラズマに囲まれている間は、外部との無線通信が不可能となっていた。データ中継衛星の整備後は、スペースシャトルの再突入時でも、プラズマの希薄な機体上方のアンテナを使って、静止軌道のデータ中継衛星を介した無線での通信が可能となった。空気抵抗で減速し、地上に接近するとパラシュートなどで、さらに飛行速度を落とし、着陸あるいは着水する。太平洋と大西洋に接しているアメリカ合衆国では、主にアポロ宇宙船やマーキュリー宇宙船に見られる様に着水を行い、接している海が殆ど北極海というロシア（及びソ連）では、ソユーズで見られる様に、地表近くで逆噴射ロケットを噴かし、大きく減速して着陸している。なお、ユーリイ・ガガーリンの乗ったボストークは逆噴射ロケットを持たず、パラシュートで減速後、戦闘機のように乗員を座席ごと船外へ射出していた。
大気圏再突入技術の開発は、ロケット・弾道ミサイルの技術と伴に発達した。特に、冷戦初期において、宇宙開発競争・弾道ミサイル開発競争が行なわれ、アメリカ合衆国とソビエト連邦を中心に技術開発が行われている。長距離弾道ミサイルの弾頭にとって、着弾に至るまでの経路において大気圏再突入は避けられないものであり、必須の技術であったことから技術開発を促進した。有人宇宙船の開発も同様に再突入は必須であり、その技術開発を促進させている。1920年代には、すでにロバート・ゴダードが再突入に際し、熱遮蔽の必要性を指摘している。
1960年（昭和35年）、無煙化（動力近代化計画）の一環として、大形ディーゼル機関車の開発を国産のエンジンと国産の液体変速機で行うという方針が国鉄部内で決定された。エンジンは、十分な実績のあるDMF31系2組をV型に配置し、12気筒とすることになった。これが、のちにDD51形に採用される1,000馬力のDML61S型エンジンである。機関車の落成は1962年（昭和37年）。このエンジンはさらに中間冷却器を付加し、クランク軸受を拡幅・強化されて1,100馬力のDML61Zとなり、さらに吸気中間冷却系を分離するなど冷却水回路やピストンを改良・強化した1,250馬力のDML61ZAが作られてDE10形に搭載された。この系列はやがて、噴射ポンプのプランジャー径を拡大し予燃焼室を改良、圧縮比を上げて燃焼効率を改善し、さらにクランク軸受にコロ軸受を採用した1,350馬力のDML61ZBへと発展、DE10形とDE11形、それにDE15形に搭載された。1970年（昭和45年）には、DML61ZBを基本として4気筒増やしV型16気筒に拡大した2,000馬力のDMP81Zが完成。DE50形に搭載されるも、諸般の事情により量産には至らなかった。これらの基礎となったDMF31Sは、その主な搭載形式であったDD13形こそ1967年（昭和42年）で生産が打ち切られたが、除雪用ロータリー機では後継となるべきDD53形（1,100馬力のDML61ZRを2基搭載）があまりに過大性能で扱いづらく持て余されたという事情から配備計画の見直しが行われ、当初計画では打ち切りが予定されていたDD14形の生産が継続されることになった。このため、DD14形用のDMF31SB-Rは除雪機の導入予定に合わせ、実に1979年（昭和54年）まで年1 - 3両分程度のペースで生産が細々と継続されることとなった。さらにDD13形と同等の55 - 56 t級私鉄用ディーゼル機関車について、臨海鉄道向けを中心に一定の需要が存在したことから、このDMF31S系機関は以後も1995年（平成7年）頃まで搭載機の新製が行われた。そのため年間の生産数はわずかずつであったが、その改良と生産は21世紀に入る頃まで継続された。私鉄用としては中間冷却器を備えたものや、直噴化されたものなどが生産された。2007年（平成19年）4月の時点では、新潟原動機の商品ラインナップにDMF31SD等が存在していた。