Thâm nhập khí quyển
Tham số cần thiết khi thiết kế phương tiện thâm nhập khí quyển

Có bốn tham số tới hạn được cân nhắc khi thiết kế một phương tiện đi vào khí quyển:
Thông lượng nhiệt tối đa
Tải nhiệt
Giảm tốc tối đa
Áp suất động cao nhất
Áp suất động và thông lượng nhiệt tối đa là yếu tố yêu cầu để có thể chọn vật liệu làm lá chắn nhiệt. Từ thông số tải nhiệt người ta có thể xác định độ dày của vật liệu TPS. Trong khi độ giảm tốc tối đa có tầm quan trọng lớn đối với các nhiệm vụ có người lái. Giới hạn tối đa cho việc quay trở lại Trái đất có người lái từ quỹ đạo Trái đất thấp (LEO) hoặc quay trở lại mặt trăng là 10g. Đối với việc đi vào khí quyển sao Hỏa sau một thời gian dài tiếp xúc với không trọng lực, giới hạn trên là 4g. Áp suất động tối đa cũng có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu TPS ngoài cùng.
Các kỹ sư tính toán 2 trường hợp biên cho quỹ đạo, biên quỹ đạo này được giới hạn bởi hai đường trên và dưới. Đường biên quỹ đạo trên được xác định là góc vào khí quyển mà vận tốc đi vào thấp nhất cho phép trước khi tàu vũ trụ bị trượt khỏi khí quyển. Quỹ đạo bay này có tải nhiệt cao nhất và quyết định đến độ dày của lá chắn nhiệt TPS. Quỹ đạo dưới được xác định bởi quỹ đạo dốc nhất cho phép. Đối với các nhiệm vụ có người lái, góc vào dốc nhất bị giới hạn bởi sự giảm tốc tối đa. Quỹ đạo dưới cũng có thông lượng nhiệt đỉnh và áp suất động lực học cao nhất. Do đó, quỹ đạo phía dưới là cơ sở để chọn vật liệu làm lá chắn nhiệt. Một chất liệu chịu được thông lượng nhiệt cao cũng sẽ trở nên quá dẫn trong một thời gian tải nhiệt dài, trong khi một vật liệu có mật độ thấp cũng sẽ thiếu độ bền kéo nếu như chịu áp suất động quá lớn. Một vật liệu TPS có hiệu suất rất tốt ở một thông lượng nhiệt đỉnh nào đó nhưng hiệu suất này có thể giảm thê thảm cũng tại thông lượng nhiệt đỉnh này nếu như giới hạn áp suất tăng lên đáng kể (Điều này đã xảy ra trong thử nghiệm tàu vũ trụ R-4 của NASA). Các vật liệu TPS kiểu cũ thì thường đắt hơn và tốn nhiều nhân công chế tạo hơn nhưng chúng đã từng được kiểm chứng qua các chuyến bay vũ trụ nhiều hơn các vật liệu TPS mới rẻ hơn (Điều này cũng ảnh hưởng tới việc lựa chọn chất liệu TPS đối với một nhà thiết kế không muốn gặp rủi ro).
Dựa theo khám phá của Allen và Eggers, vỏ aeroshell được thiết kế cùn tối đa (lực cản tối đa) thì khối lượng TPS sẽ được giảm xuống tối thiểu. Độ cùn tối đa (hệ số đạn đạo tối thiểu) cũng mang lại vận tốc đầu cuối tối thiểu ở độ cao lớn nhất (rất quan trọng đối với Mars EDL, nhưng lại bất lợi đối với các đầu đạn hồi quyển quân sự). Tuy nhiên, có một giới hạn trên đối với độ cùn do tính ổn định khí động học phụ thuộc vào sự tách sóng xung kích. Một sóng xung kích sẽ vẫn gắn vào đầu của một hình nón nhọn nếu nửa góc của hình nón thấp hơn giá trị tới hạn. Đối với khí quyển nitơ (Trái đất hoặc Titan), giá trị nửa góc tối đa cho phép là khoảng 60°. Đối với khí quyển carbon dioxide (sao Hỏa hoặc sao Kim), nửa góc tối đa cho phép là khoảng 70°. Khi sóng xung kích bị tách ra, phương tiện thâm nhập khí quyển sẽ mang theo nhiều lớp khí xung kích xung quanh nắp vượt âm. Do đó tâm khí động học sẽ dịch chuyển về phía sau làm mất căn bằng khí động học.
Việc áp dụng thiết kế vỏ khí động của tàu thăm dò Huygens (vốn được thiết kế cho việc thâm nhập khí quyển Nitơ của vệ tinh Titan) lên tàu thăm dò Beagle 2 cho việc thăm nhập khí quyển sao Hỏa chứa Carbon Dioxide đã gặp thất bại.[cần dẫn nguồn] Trước khi bị hủy bỏ, chương trình hạ cánh lên sao Hỏa của Liên Xô đã thành công trong việc gửi một tàu thăm dò xuống bề mặt sao Hỏa (Mars 3), ở lần thứ 2 trong số 3 lần gửi tàu thăm dò lên sao Hỏa (2 lần khác tuy tàu đã chạm tới bề mặt sao Hỏa nhưng sứ mệnh vẫn thất bại là Mars 2 và Mars 6). Tàu hạ cánh của Liên Xô có thiết kế vỏ chắn nhiệt với bán góc là 60°.
Thiết kế vỏ chắn nhiệt dạng cầu với bán góc 45° thường được sử dụng cho các vệ tinh bay trong khí quyển (không đáp xuống bề mặt) dù cho với thiết kế này thì khối lượng của lá chắn nhiệt không được tiết giảm tối đa. Thiết kế này đã được sử dụng trên tàu đổ bộ sao Hỏa DS/2 và vệ tinh Pioneer thám hiểm sao Kim.