Hầu hết quá trình sau khi tàu con thoi rời khỏi quỹ đạo và tái nhập khí quyển, trừ quá trình hạ càng, thường được điều khiển dưới sự điều hành của máy tính. Tuy nhiên, quá trình tái nhập khí quyển có thể được điều khiển hoàn toàn bằng tay nếu có trường hợp khẩn cấp. Sau khi tái nhập bầu khí quyển, quá trình hạ độ cao và hạ cánh có thể điều khiển tự động, nhưng quá trình này thường được bay thủ công.

Rời quỹ đạo

Tàu bắt đầu tái nhập khí quyển bằng cách rời bỏ quỹ đạo bằng cách sử dụng các động cơ điều khiển quỹ đạo, trong khi đang bay lộn ngược, và ngược chiều với hướng quỹ đạo trong vòng 3 phút, lúc ấy sẽ giảm tốc độ của tàu khoảng 200 dặm/h (322 km/h). Kết quả là sẽ làm chậm tàu và giảm độ cao quỹ đạo của tàu xuống và vào tầng khí quyển. Sau 3 phút sử dụng xong các động cơ, tàu sẽ quay ngược trở lại, đẩy phần đầu của tàu xuống (thực ra là "ngóc lên" so với trái Đất). Việc giảm độ cao quỹ đạo này xảy ra một nửa quãng đường quanh trái Đất từ tàu đến khu hạ cánh.

Tái nhập khí quyển

Tàu sẽ bắt đầu gặp mật độ không khí dày trong tầng nhiệt thấp ở độ cao khoảng 120 km, với vận tốc khoảng 25 Mach, 8,200 m/s (30,000 km/h). Tàu được điều khiển bằng sự kết hợp giữa hệ thống RCS (Hệ thống điều khiển ở môi trường chân không) và các bề mặt điều khiển, để bay hạ độ cao tại một góc 40 độ với mũi tàu trên đường chân trời, tạo ra lực cản, không chỉ để giảm tốc độ đến tốc độ hạ cánh, mà còn làm giảm sức nóng của bầu khí quyển. Tàu càng lúc sẽ gặp nhiều mật độ khí, và chuyển từ một con tàu vũ trụ thành một chiếc máy bay thường. Trên một đường thẳng, góc 40 độ của tàu sẽ từ từ giảm xuống hoặc thậm chí cao thêm. Lúc ấy sẽ buộc tàu phải thực hiện 4 lần nghiêng qua nghiêng lại tạo thành hình chữ S, mỗi lần nghiêng sẽ nghiêng khoảng vài phút, nhiều lúc tàu có thể nghiêng tới 70 độ, nhưng bù lại vẫn giữ nguyên góc 40 độ. Cách này sẽ khiến tốc độ tàu có thể giữ nguyên. Những lần nghiêng này được thực hiện khi mà tàu đang ở nhiệt độ cao nhất của quá trình tái nhập khí quyển, khi ấy lớp bảo vệ nhiệt độ của tàu sẽ có màu đỏ rực và lực G ở mức cao nhất. Sau khi kết thúc quá trình nghiêng này, tàu lúc ấy sẽ hoàn tất chuyển thành một chiếc máy bay. Lúc ấy tàu sẽ giảm độ ngóc, và chúi mũi xuống và bắt đầu quá trình hạ độ cao và hạ cánh.

Tại phần thấp nhất của khí quyển, tàu sẽ bay giống như một tàu lượn thường, ngoại trừ hạ độ cao nhanh hơn, với độ hạ độ cao hơn 50 m/s (180 km/). Ở vận tốc khoảng 3 Mach, hai đầu dò không khí, nằm ở hai bên thấp của phần thân tàu, được triển khai để đo áp suất của không khí so với tàu khi di chuyển ở khí quyển.

• Mô phỏng nhiệt độ bên ngoài lên đến 1,500 °C khi tái nhập bầu khí quyển.
• Mọ phỏng máy tính của luồng khí vận tốc cao bên ngoài tàu con thoi khi tái nhập khí quyển

Quá trình hạ độ cao và hạ cánh

Khi quá trình hạ độ cao và hạ cánh bắt đầu, tàu con thoi khi ấy đang ở độ cao 3.000 m, 12 km đến đường băng. Phi công khi ấy sẽ sử dụng phanh khí động để giúp giảm tốc của tàu. Tốc độ của tàu giảm từ khoảng 682 xuống còn 346 km/h, vận tốc chạm xuống đường băng (so với 260 km/h của máy bay thương mại). Càng bánh xe của tàu được thả ra khi đang bay với tốc độ 430 km/h. Nhằm hỗ trợ thắng cho tàu, một cái dù giảm tốc khoảng 12 m được thả ra sau khi toàn bộ 3 càng bánh của tàu đã chạm đường băng ở vận tốc khoảng 343 km/h. Dù sẽ được thả ra một khi tàu đã giảm tốc xuống còn 110 km/h.

• Tàu con thoi Discovery hạ cánh lần cuối cùng ở nhiệm vụ STS-133.
• Tàu con thoi Endeavour bung dù sau khi hạ cánh

Sau khi hạ cánh

Sau khi hạ cánh, tàu con thoi sẽ ở lại trên đường băng khoảng vài tiếng để giảm nhiệt độ con tàu. Một nhóm nhân viên ở trước và sau tàu sẽ kiểm tra các phần nhiên liệu của hệ thống RCS và 3 động cơ phụ của tàu con thoi. Nếu hiđrô được phát hiện, một trường hợp khẩn cấp sẽ được thông báo, nhân viên sẽ ngắt năng lượng của tàu và nhóm nhân viên sẽ di tản khỏi khu vực. Một nhóm khác gồm 25 xe đặc biệt và 150 kỹ sư và kỹ thuật viên sẽ tiếp cận con tàu và xóa bỏ các khí độc từ nguyên nhiên liệu và khu hàng hóa của tàu khoảng 45-60 phút sau khi hạ cánh. Một viên bác sĩ sẽ lên tàu kiểm tra y tế cho phi hành đoàn trước khi họ có thể rời phi thuyền. Một khi phi hành đoàn đã rời khỏi tàu, trách nhiệm sẽ được giao lại từ Trung tâm vũ trụ Johnson ở Houston, Texas cho Trung tâm vũ trụ Kennedy.

Nếu tàu hạ cánh tại Căn cứ Không quân Edwards ở California, hoặc các đường băng khẩn cấp. thì tàu sẽ được bay trở lại Trung tâm vũ trụ Kennedy trên một chiếc 747 được phục chế và hạ cánh tại Khu hạ cánh Tàu con thoi. Một khi đến tới Khu hạ cánh, tàu sẽ được kéo tiếp quãng đường 3.2 km trên đường kéo hoặc đường thường dùng bởi chuyến xe buýt tham quan hoặc nhân viên của Trung tâm vũ trụ Kennedy đến Khu vực Xử lý Tàu con thoi, nơi mà nó sẽ bắt đầu quá trình dài tháng chuẩn bị cho nhiệm vụ tiếp theo.

Địa điểm

NASA thường hạ cánh các chuyến tàu con thoi ở Trung tâm vũ trụ Kennedy[3]. Nếu thời tiết khiến việc hạ cánh gặp khó khăn, việc hạ cánh có thể trì hoãn đến lúc điều kiện thới tiết tốt; hạ cánh ở Căn cứ Không quân Edwards ở California; hoặc sử dụng một số đường băng dự phòng khắp thế giới. Các việc hạ cánh nào ngoài Trung tâm vũ trụ Kennedy sẽ phải chuyển về lại Mũi Canaveral. Nhiệm vụ STS-3 của tàu con thoi Columbia năm 1982 đã một lần hạ cánh tại Sân bay Vũ trụ White Sands, New Mexico; đây là sự lựa chọn cuối cùng bởi vì các nhà khoa học NASA tin rằng các hạt cát có thể gây thiệt hại ngoại thất của con tàu.

Có rất nhiều khu hạ cánh dự phòng khác nhưng không bao giờ dùng đến.[4] Cho đến lúc kết thúc chương trình, tàu con thoi chỉ duy nhất hạ cánh tại 3 địa điểm.