Das orbitale Luftschiff oder „Weltraumluftschiff“ ist ein vorgeschlagenes Mittel, um Fracht ohne den Einsatz konventioneller Raketen vom Boden in eine erdnahe Umlaufbahn zu bewegen. Das Design eines orbitalen Luftschiffs besteht aus drei Stufen, die dafür ausgelegt sind, Nutzlasten in etwa einer Woche von der Erde in den Weltraum zu transportieren. Obwohl es mehrere Organisationen gibt, die an der Entwicklung eines solchen Schiffes arbeiten, ist das Konzept am bekanntesten Teil eines Programms namens Airship to Orbit (ATO), das von JP Aerospace entwickelt wurde, einer in Kalifornien ansässigen Freiwilligenorganisation, die sich als privater Konkurrent der NASA versteht. Trotz der Begeisterung von JP Aerospace für das vorgeschlagene Design haben eine Reihe von Experten, die unabhängige Analysen durchführen, argumentiert, dass bestimmte Details physikalisch nicht durchführbar sind.
Die erste Stufe von ATO ist ein konventionelles Luftschiff, das mit Helium gefüllt ist. V-förmig, um aerodynamisch zu sein, wird es als Ascender bezeichnet. Das orbitale Luftschiff steigt auf etwa 25 km auf und dockt dann an der zweiten Stufe an, einer permanenten bemannten Plattform namens Dark Sky Station (DSS).
Wie die Ascender ist die Dark Sky Station eine aufgeblasene Struktur ohne starre Hülle. Die erste Stufe wird daran gehindert, über 25 km hinaus aufzusteigen, da jedes orbitale Luftschiff, das atmosphärischen Winden standhalten kann, leider zu schwer wäre, um in den Weltraum zu gelangen. Mehrere Prototypen sowohl der Ascender als auch der Dark Sky Station wurden bereits erstellt.
Die dritte Stufe von ATO ist der Orbital Ascender, ein 6,000 km langes Luft-/Raumschiff, das für die Reise vom DSS in eine 1.8 km lange Erdumlaufbahn ausgelegt ist. Obwohl Helium auf 93 km immer noch leichter als Luft ist, nimmt dieser Effekt ab und hört schließlich auf, wodurch das Flugzeug schwerer als seine Umgebung wird. Bei 150 Meilen (25 km) beträgt die Dichte der Luft nur drei Milliardstel der Dichte auf Meereshöhe.
JP Aerospace hat vorgeschlagen, diese massive Ascender in Sonnenkollektoren zu verkleiden und das Flugzeug mit Ionentriebwerken auf ungefähr 5 Meilen pro Sekunde (8,000 Meter pro Sekunde) zu beschleunigen, die erforderliche Geschwindigkeit für jedes Objekt, um die Umlaufbahn zu erreichen. Es wurde behauptet, dass dieser Prozess etwa fünf Tage dauern würde.
Leider zeigen einige einfache Berechnungen, dass mit Sonnenkollektoren gekoppelte Ionentriebwerke nicht genügend Schub liefern würden, um die massive Gashülle auf die für den Austritt aus der Atmosphäre erforderliche Geschwindigkeit zu bringen. Möglicherweise durch die Verbrennung von Wasserstoff an Bord, die Schaffung eines Luftschiff-Designs, das sich beim Aufstieg faltet, um aerodynamischer zu werden, oder durch das Strahlen von Energie in Mikrowellenform von der Dark Sky Station auf die Orbital Ascender, könnte dieses Schema praktisch werden. Alternativ könnte die Dark Sky Station einfach als Plattform für den Start chemischer Raketen dienen.
Viele Details müssen noch ausgearbeitet werden, um das orbitale Luftschiff einsatzfähig zu machen. Kein Leichter-als-Luft-Flugzeug ist bisher mit Hyperschallgeschwindigkeit geflogen, was viele Experten dazu veranlasst, Vorschläge für ein orbitales Luftschiff skeptisch zu machen.