Powrót z orbity oznacza uderzenie w atmosferę z prędkością około 7,8 km/s. Tarcie i sprężanie nagrzewają powietrze wokół pojazdu do tysięcy stopni. Osłona termiczna pochłania lub odprowadza tę energię, zapewniając przetrwanie konstrukcji pod spodem.

Materiały różnią się w zależności od misji. Apollo używał osłony ablacyjnej, która spalała się w kontrolowany sposób, przenosząc ze sobą ciepło. Wahadłowiec kosmiczny używał wzmocnionych płytek węglowo-węglowych i płytek krzemionkowych, które odprowadzały ciepło.

Typowe materiały osłon termicznych

• Kompozyty ablacyjne, które ulegają zwęgleniu i erozji
• Wzmocnione włókna węglowe na krawędziach natarcia
• Płytki krzemionkowe do pojazdów wielokrotnego użytku
• Abator węglowy impregnowany fenolem do szybkich wejść

Każde naruszenie jest śmiertelne. Uszkodzona płytka na skrzydle Columbii doprowadziła do utraty pojazdu i załogi w 2003 roku, co spowodowało wprowadzenie istotnych zmian w procedurach kontroli.