Aeronava orbitală, sau „dirigibilul spațial”, este un mijloc propus de a muta mărfurile de la sol pe orbita terestră joasă fără utilizarea rachetelor convenționale. Proiectarea unui dirijabil orbital constă din trei etape, concepute pentru a muta sarcinile utile de pe Pământ în spațiu în aproximativ o săptămână. Deși există mai multe organizații care lucrează pentru a crea o astfel de navă, conceptul este cel mai bine cunoscut o parte a unui program numit Airship to Orbit (ATO), conceput de JP Aerospace, o organizație de voluntari cu sediul în California, care se consideră un concurent privat al NASA. În ciuda entuziasmului lui JP Aerospace cu privire la designul propus, un număr de experți care efectuează analize independente au susținut că anumite detalii sunt imposibil de realizat din punct de vedere fizic.
Prima etapă a ATO este o navă convențională plină cu heliu. În formă de V pentru a fi aerodinamică, este etichetată Ascender. Aeronava orbitală urcă la aproximativ 25 de mile (40 km), apoi se acoperează cu etapa a doua, o platformă permanentă cu echipaj numită Dark Sky Station (DSS).
La fel ca Ascender, stația Dark Sky este o structură umflată fără o carcasă rigidă. Prima etapă este împiedicată să urce dincolo de 25 mile (40 km), deoarece orice aeronavă orbitală capabilă să supraviețuiască vântului atmosferic ar fi, din păcate, prea grea pentru a face călătoria în spațiu. Au fost deja create mai multe prototipuri atât pentru Ascender, cât și pentru Stația Dark Sky.
A treia etapă a ATO este Orbital Ascender, o navă aeriană/spațială lungă de 6,000 de picioare (1.8 km) concepută pentru a face călătoria de la DSS la 93 de mile (150 km) sau orbita joasă a Pământului. Deși heliul este încă mai ușor decât aerul la 25 mile (40 km), acest efect se diminuează și în cele din urmă se oprește, făcând ambarcațiunea mai grea decât împrejurimile sale. La 93 de mile (150 km), densitatea aerului este de numai trei miliarde din ceea ce este la nivelul mării.
JP Aerospace a propus acoperirea acestui Ascender masiv în panouri solare și utilizarea motoarelor cu ioni pentru a accelera ambarcațiunea la aproximativ 5 mile pe secundă (8,000 de metri pe secundă), viteza necesară pentru ca orice obiect să ajungă pe orbită. S-a susținut că acest proces ar dura aproximativ cinci zile.
Din păcate, unele calcule simple arată că motoarele cu ioni cuplate cu panouri solare nu ar oferi suficientă forță pentru a propulsa anvelopa masivă de gaz la viteza necesară pentru ieșirea din atmosferă. Posibil prin arderea hidrogenului de la bord, creând un design dirigibilic care se pliază în timpul ascensiunii pentru a deveni mai aerodinamic sau prin transmiterea puterii sub formă de microunde de la stația Dark Sky către Orbital Ascender, această schemă ar putea deveni practică. Alternativ, stația Dark Sky ar putea fi pur și simplu folosită ca platformă pentru lansarea de rachete chimice.
Mai trebuie elaborate multe detalii pentru ca dirijabilul orbital să fie viabil. Nicio navă mai ușoară decât aerul nu a zburat încă la viteze hipersonice, ceea ce a determinat mulți experți să fie sceptici în ceea ce privește propunerile de dirijare orbitală.