返回大气层（Atmospheric entry）是指人造或自然的物体从外空间进入大气层的过程。这一过程中，为了确保安全，需要考虑飞行器的形状和结构、空气动力学模型以及飞行物的热防护层等因素。

返回大气层的概念最早由罗伯特·哥达德于1920年提出，他认为物体从地球外进入大气层时，其表面应具有一定的防护能力以防止高温损伤。自1950年代起，苏联和美国开始大力发展火箭及回收技术，并对发射物返回大气层的问题进行了深入研究，重点关注发射物的形状和表面防护层的设计。

返回大气层的物体形状对其热防护至关重要。常见的形状包括球形、球截面、球-圆锥形等。其中，球-圆锥形已被用于多个行星探测任务，如金星、木星和火星。此外，非对称形状也被应用于有人驾驶的返回大气飞行器，如美国的航天飞机。

当物体高速进入大气层时，空气会发生游离和化学分解，这对热防护设计提出了挑战。针对这种情况，科学家们开发了多种物理模型来描述冲击层的热和化学特性，这些模型对于航天工程设计热防护系统非常重要。

热防护系统的设计旨在将热冲击层气体排出，形成一层较冷的区域。目前已经开发出多种热防护材料和技术，如超轻重量易熔层、充硅酮可重用陶瓷易熔层等，这些技术已经被成功应用于多个深空探索任务中。

返回大气层的技术不仅限于无人探测器，还包括载人航天任务。例如，美国的阿波罗计划和航天飞机项目均采用了先进的热防护系统，使得宇航员能够安全地返回地球。