Permanecer en la atmósfera de la Tierra significa algunas cosas:
Viajarás en un círculo. Dado que viajará mucho más rápido que una órbita a baja altitud, eso significa que su nave debe estar acelerando constantemente hacia la Tierra. Y así sentirás una fuerza centrífuga. Si eso excede 2G, entonces sentirás un tirón aparente que se siente como una gravedad superior a 1G. ¿Cuánto de eso puedes tomar por un largo período de tiempo?
A velocidades supersónicas, dejarás de lado la atmósfera a gran velocidad. Lo suficientemente rápido, comienzas a quitar la atmósfera del planeta. Además, un boom sónico viajará detrás de ti cuando la onda de choque golpee el suelo. A cierta velocidad, será lo suficientemente potente como para dañar edificios, personas, etc.
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La estructura de la nave debe resistir tanto la fuerza centrífuga como la onda de choque de la atmósfera. Como mencionas, existe el problema del calor, que es un problema incluso a las velocidades relativamente lentas que podemos alcanzar ahora. El transbordador, por ejemplo, viaja a algo así como Mach 25, que todavía es una fracción muy pequeña de la velocidad de la luz, pero se calienta lo suficiente como para brillar.
No soy ingeniero aeronáutico ni ingeniero de materiales. Así que no puedo decirte cuáles serían esas velocidades.