Có một vài hình dạng cơ bản được sử dụng trong thiết kế phương tiện thâm nhập khí quyển

Dạng mặt cầu

Module chỉ huy tàu Apollo đang bay với phần đáy tù hướng về phía trước ở một góc tấn khác 0 ngầm mục đích tạo ra lực nâng khi hồi quyển và khả năng điều chỉnh vị trí hạ cánh.

Mặt cầu hoặc mặt cắt cầu là dạng đối xứng trục đơn giản nhất.[9] Đây có thể là một hình cầu hoàn chỉnh hoặc một phần trước hình cầu với phần sau hình nón hội tụ. Khí động học của một hình cầu hoặc mặt cắt hình cầu dễ dàng phân tích một cách mô hình hóa bằng cách sử dụng lý thuyết va chạm Newton. Tương tự, thông lượng nhiệt của mặt cắt hình cầu có thể được mô hình hóa chính xác bằng phương trình Fay-Riddell.[10] Độ ổn định tĩnh của mặt cắt hình cầu được đảm bảo nếu trọng tâm của phương tiện bay ngược dòng so với tâm cong (ổn định động là vấn đề khó khăn hơn). Quả cầu thuần túy không có lực nâng. Tuy nhiên, bằng cách bay ở một góc tấn, một phần hình cầu sẽ có lực nâng khí động học khiêm tốn, mang đến một số khả năng xuyên qua và mở rộng hành lang thâm nhập khí quyển (entry corridor) của nó. Vào cuối những năm 1950 và đầu những năm 1960, máy tính tốc độ cao vẫn chưa ra đời và động lực học chất lỏng tính toán vẫn còn sơ khai. Bởi vì dạng mặt cắt cầu có thể phù hợp để phân tích dạng đóng, thiết kế hình dạng này đã trở thành mặc định cho thiết kế phương tiện thâm nhập khí quyển thời kỳ đầu. Các khoang tàu vũ trụ hồi quyển chở phi hành gia của thời kỳ này cũng dựa trên thiết kế hình cầu.

Dạng cầu thuần túy đã được sử dụng trong các thiết kế tàu vũ trụ đầu tiên của Liên Xô như Vostok và Voskhod và trong các tàu thăm dò hạ cánh lên sao Hỏa và sao Kim. Module chỉ huy của tàu Apollo sử dụng thiết kế mặt cầu trên tấm chắn nhiệt với phần thân sau dạng nón hội tụ. Nó thâm nhập khí quyển Tráu đất ở tốc độ siêu vượt âm với góc tấn −27° để đạt được tỉ lệ lực nâng/lực cản là 0,368.[11] Tổng lực nâng cho phép thay đổi phạm vi của tàu vũ trụ nhờ điều chỉnh di dời trọng tâm của module Apollo khỏi trục đối xứng, cho phép lực nâng có thể được hướng sang trái hoặc phải bằng cách xoay tàu theo trục dọc. Một ví dụ khác của việc thiết kế theo dạng cầu là ở trên các module hạ cánh Soyuz/Zond, Gemini, và Mercury. Lực nâng tác động lên tàu trên quỹ đạo dù nhỏ nhưng có tác động đáng kể lên trọng lực tối đa tác động lên tàu, giảm từ 8–9 g đối với quỹ đạo đạn đạo thuần túy (giảm tốc chỉ nhờ lực cản) đến 4–5 g, ngoài ra cũng giảm đáng kể nhiệt lượng tối đa khi thâm nhập khí quyển.[12]

Mặt cầu-côn

Dạng mặt cầu-côn là dạng mặt cắt hình cầu kết hợp với hình nón cụt hay nón tù. Tính ổn định động của mặt cắt hình nón-cầu thường tốt hơn của mặt cắt hình cầu. Phương tiện bay đi vào khí quyển với mặt trước là mặt cầu. Với một nửa góc đủ nhỏ và tâm khối lượng được đặt hợp lý, hình nón cầu có khả năng ổn định khí động học từ khi thâm nhập khí quyển đến khi chạm đến bề mặt. (Nửa góc là góc giữa trục đối xứng quay của hình nón và mặt ngoài của nó, và do đó một nửa góc tạo bởi các cạnh bề mặt của hình nón).

Phiên bản khoang đầu đạn hồi quyển Mk-2, thiết kế theo dạng thân tù.

Vỏ khí động đầu tiên của Mỹ áp dụng dạng mặt cầu là Mk-2 RV (Khoang đầu đạn hồi quyển), được phát triển vào năm 1955 bởi General Electric Corp. Thiết kế của Mk-2 bắt nguồn từ lý thuyết thân cùn và sử dụng hệ thống cách nhiệt làm mát bằng bức xạ (thermal protection system-TPS), dựa trên một tấm cách nhiệt kim loại (các loại TPS khác nhau được mô tả sau trong bài viết này). Mk-2 có những khiếm khuyết đáng kể, nó bay quá lâu trong tầng khí quyển do hệ số đạn đạo thấp hơn và cũng kéo theo một luồng kim loại bốc hơi khiến radar rất dễ nhìn thấy. Những khiếm khuyết này khiến Mk-2 quá nhạy cảm với các hệ thống chống tên lửa đạn đạo (ABM). Do đó, một khoang chứa đầu đạn hình nón-cầu thay thế cho Mk-2 đã được General Electric phát triển.[cần dẫn nguồn]

Khoang chứa đầu đạn hồi quyển Mk-6, phát triển từ thời chiến tranh Lạnh và là thiết kế khởi nguồn của phần lớn các thiết kế khoang hồi quyển trên các tên lửa ICBM hiện nay của Mỹ

Khoang chứa đầu đạn mới có tên là Mk-6 sử dụng vỏ cách nhiệt TPS mài mòn phi kim loại bằng phenol nylon. Vỏ cách nhiệt mới rất hiệu quả trong việc cách nhiệt trong khi hồi quyển và từ đó người ta có thể thiết kế giảm độ tù của khoang.[cần dẫn nguồn] Tuy nhiên, Mk-6 là một khoang chứa đầu đạn có kích thước lớn, với khối lượng khi hồi quyển là 3.360 kg, chiều dài 3,1 m và có bán góc là 12,5°. Các nâng cấp tiếp theo của vũ khí hạt nhân và thiết kế hệ thống cách nhiệt TPS đã cho phép giảm kích thước các khoang đầu đạn hồi quyển và giảm độ tù của khoang so với khoang Mk-6. Kể từ những năm 1960s, thiết kế dạng côn-cầu đã trở thành thiết kế phổ biến trên các ICBM nhiều đầu đạn hiện đại, với bán góc thông thường là từ 10° đến 11°.[cần dẫn nguồn]

Khoang thu hồi của vệ tinh gián điệp "Discoverer"Vệ tinh Galileo sau khi được lắp ráp

Các khoang thu hồi của vệ tinh trinh sát cũng được thiết kế với dạng cầu-côn và được Mỹ áp dụng lần đầu tiên trên Discoverer-I phóng lên quỹ đạo ngày 28/2/1959. Dạng thiết kế côn-cầu sau này cũng được sử dụng trên các sứ mệnh thám hiểm các hành tinh khác hoặc trên các tàu trở lại bầu khí quyển từ không gian vũ trụ ví dụ như vệ tinh Stardust. Không giống như các phương tiện hồi quyển dùng trong quân sự, ưu điểm của một hệ thống chắn nhiệt TPS nhẹ hơn trong một thiết kế thân tù vẫn còn được áp dụng trên các tàu thám hiểm như vệ tinh Galileo với bán góc là 45° hoặc với vỏ chắn nhiệt của tàu Viking với bán góc là 70°. Những tàu thám hiểm với thiết kế vỏ chắn nhiệt dạng côn-cầu đã hạ cánh xuống hoặc thâm nhập bầu khí quyển của các hành tinh như sao Hỏa, sao Kim, sao Mộc và mặt trăng Titan của sao Thổ.

Mặt côn kép

DC-X, trong chuyến bay thử lần đầu tiên. Nó là nguyên mẫu cho phương tiện bay một tầng lên quỹ đạo, và áp dụng cấu hình nón kép giống AMaRV.

Là dạng mặt côn-cầu bổ sung thêm một nón cụt. Thiết kế này cải thiện đáng kể tỉ lệ lực nâng/lực cản L/D. Thiết kế này được áp dụng trên các tàu thám hiểm sao Hỏa với tỉ lệ L/D xấp xỉ 1 so với tỉ lệ L/D=0,368 đối với khoang hồi quyển Apollo. Tỉ lệ L/D lớn hơn, thì việc áp dụng thiết kế côn kép sẽ tốt hơn nhất là nó phù hợp cho việc đổ bộ lên sao Hỏa vì độ giảm tốc cực đại thấp hơn. Có thể cho rằng, phương tiện bay hồi quyển đáng chú ý nhất là Khoang hồi quyển cơ động tiên tiến (AMaRV). Bốn phương tiện hồi quyển AMaRVs đã được chế tạo bởi McDonnell Douglas Corp. và thể hiện một bước nhảy vọt đáng kể về độ tinh vi trong thiết kế phương tiện hồi quyển. Ba AMaRV được phóng bằng tên lửa đạn đạo Minuteman-1 ICBMs vào ngày 20/12/1979, và 8/10/1981. AMaRV có khối lượng khi hồi quyển khoảng 470 kg, bán kính mũi 2,34 cm, bán góc của mặt côn trước 10,4°, bán kính đáy cụt là 14,6 cm, bán góc sau của mặt côn sau 6°, và chiều dài trục là 2,079 mét. Không có tài liệu nào cung cấp hình ảnh chính xác hoặc sơ đồ của AMaRV. Tuy nhiên, một bản phác thảo sơ đồ của một phương tiện hồi quyển giống với AMaRV cùng với các biểu đồ quỹ đạo đã được công bố.[13]

Tư thế bay của AMaRV được điều khiển thông qua cánh tà với hai cánh tà sau gắn trên các mặt của AMaRV. Các cánh tà này được điều khiển bằng thủy lực. AMaRV được dẫn đường tự động bằng hệ thống dẫn đường quán tính thiết kế để lẩn tránh hệ thống phòng thủ tên lửa đạn đạo. Mẫu thiết kế McDonnell Douglas DC-X (cũng sử dụng cấu hính nón kép) về cơ bản là một phiên bản thu nhỏ của AMaRV. AMaRV và DC-X cũng là cơ sở cho một thiết kế không thành công mà về sau được biết đến là Lockheed Martin X-33.

Dạng bất đối xứng

Dạng bất đối xứng được áp dụng cho các phương tiện thâm nhập khí quyển không người lái. Một ví dụ là trên các phương tiện bay có cánh trên quỹ đạo, sử dụng cánh delta để cơ động trong suốt quá trình hạ cánh như một tàu lượn quy ước. Đây là cấu hình sử dụng trên tàu con thoi của Mỹ và tàu Buran của Liên Xô. Thân tạo lực nâng là một dạng khác của phương tiện thâm nhập khí quyển và được áp dụng trên X-23 PRIME.[cần dẫn nguồn]