La aeronave orbital, o «dirigible espacial», es un medio propuesto para mover la carga desde el suelo a la órbita terrestre baja sin el uso de cohetes convencionales. El diseño de una aeronave orbital consta de tres etapas, diseñadas para mover cargas de la tierra al espacio en aproximadamente una semana. Aunque hay varias organizaciones que trabajan para crear tal barco, el concepto es mejor conocido como parte de un programa llamado Airship to Orbit (ATO), ideado por JP Aerospace, una organización de voluntarios con sede en California que se ve a sí misma como un competidor privado de la NASA. A pesar del entusiasmo de JP Aerospace por su diseño propuesto, varios expertos que realizan análisis independientes han argumentado que ciertos detalles son físicamente inviables.
La primera etapa de ATO es una aeronave convencional llena de helio. En forma de V con el propósito de ser aerodinámico, está etiquetado como Ascender. La aeronave orbital asciende a aproximadamente 40 kilómetros (25 millas), luego atraca con la etapa dos, una plataforma permanente con tripulación llamada Estación Dark Sky (DSS).
Al igual que el Ascender, la estación Dark Sky es una estructura inflada sin una carcasa rígida. Se impide que la primera etapa ascienda más allá de las 25 millas (40 km) porque cualquier aeronave orbital capaz de sobrevivir a los vientos atmosféricos sería, por desgracia, demasiado pesada para hacer el viaje al espacio. Ya se han creado varios prototipos de Ascender y Dark Sky Station.
La tercera etapa de ATO es el ascendente orbital, una nave espacial / aérea de 6,000 pies (1.8 km) de largo diseñada para hacer el viaje desde el DSS a 93 millas (150 km), o órbita terrestre baja. Aunque el helio es aún más liviano que el aire a 25 millas (40 km), este efecto disminuye y finalmente se detiene, haciendo que la nave sea más pesada que su entorno. A 93 millas (150 km) la densidad del aire es solo tres billonésimas de lo que es al nivel del mar.
JP Aerospace ha propuesto cubrir este Ascender masivo en paneles solares y usar motores de iones para acelerar la nave a aproximadamente 5 millas por segundo (8,000 metros por segundo), la velocidad requerida para que cualquier objeto alcance la órbita. Se ha afirmado que este proceso tomaría alrededor de cinco días.
Desafortunadamente, algunos cálculos simples muestran que los motores de iones junto con los paneles solares no proporcionarían suficiente empuje para impulsar la envoltura masiva de gas a la velocidad requerida para la salida atmosférica. Posiblemente al quemar hidrógeno a bordo, creando un diseño de dirigible que se pliega durante el ascenso para volverse más aerodinámico, o al emitir energía en forma de microondas desde la Estación del Cielo Oscuro hasta el Ascender Orbital, este esquema podría ser práctico. Alternativamente, la Dark Sky Station podría simplemente usarse como plataforma para el lanzamiento de cohetes químicos.
Muchos detalles aún deben ser resueltos para que la aeronave orbital sea viable. Ninguna nave más ligera que el aire ha volado a velocidades hipersónicas, lo que lleva a muchos expertos a mostrarse escépticos ante las propuestas de una aeronave orbital.