Orbitālais dirižablis jeb “kosmosa gaisa kuģis” ir piedāvāts līdzeklis kravas pārvietošanai no zemes uz zemu zemes orbītu, neizmantojot parasto raķešu iekārtu. Orbitālā dirižabļa dizains sastāv no trim posmiem, kas paredzēti kravas pārvietošanai no zemes uz kosmosu aptuveni nedēļas laikā. Lai gan ir vairākas organizācijas, kas strādā pie šāda kuģa izveides, šī koncepcija ir vislabāk zināmā daļa no programmas Airship to Orbit (ATO), ko iecerējusi JP Aerospace, Kalifornijā bāzēta brīvprātīgo organizācija, kas sevi uzskata par NASA privātu konkurentu. Neskatoties uz JP Aerospace entuziasmu par piedāvāto dizainu, vairāki eksperti, kas veic neatkarīgas analīzes, ir iebilduši, ka dažas detaļas ir fiziski nerealizējamas.
ATO pirmais posms ir parasts dirižablis, kas pildīts ar hēliju. V-veida, lai būtu aerodinamisks, tas ir apzīmēts ar Ascender. Orbitālais dirižablis paceļas līdz aptuveni 25 jūdzēm (40 km), pēc tam piestāj ar otro posmu — pastāvīgu platformu ar apkalpi, ko sauc par Dark Sky Station (DSS).
Tāpat kā Ascender, arī Dark Sky Station ir piepūsta struktūra bez stingra apvalka. Pirmajā posmā nav iespējams pacelties tālāk par 25 jūdzēm (40 km), jo jebkurš orbitālais dirižablis, kas spēj izturēt atmosfēras vējus, diemžēl būtu pārāk smags, lai veiktu ceļojumu kosmosā. Jau ir izveidoti vairāki gan Ascender, gan Dark Sky stacijas prototipi.
Trešais ATO posms ir Orbital Ascender, 6,000 pēdu (1.8 km) garš gaisa/kosmosa kuģis, kas paredzēts, lai veiktu ceļojumu no DSS līdz 93 jūdzēm (150 km) jeb zemai Zemes orbītai. Lai gan hēlijs joprojām ir vieglāks par gaisu 25 km attālumā, šis efekts samazinās un galu galā apstājas, padarot kuģi smagāku par apkārtējo vidi. 40 jūdzes (93 km) gaisa blīvums ir tikai trīs miljardās daļas no tā, kāds tas ir jūras līmenī.
JP Aerospace ir ierosinājis segt šo masīvo Ascender saules paneļos un izmantot jonu dzinējus, lai kuģis paātrinātu līdz aptuveni 5 jūdzēm sekundē (8,000 metriem sekundē), kas ir nepieciešamais ātrums, lai jebkurš objekts sasniegtu orbītu. Tiek apgalvots, ka šis process ilgs aptuveni piecas dienas.
Diemžēl daži vienkārši aprēķini liecina, ka jonu dzinēji, kas savienoti ar saules paneļiem, nenodrošinātu pietiekamu vilci, lai virzītu milzīgo gāzes apvalku līdz atmosfēras izejas ātrumam. Iespējams, sadedzinot borta ūdeņradi, izveidojot spārnu dizainu, kas pacelšanās laikā salokās, lai kļūtu aerodinamiskāks, vai izstarojot jaudu mikroviļņu veidā no Dark Sky stacijas uz Orbital Ascender, šī shēma varētu kļūt praktiska. Alternatīvi, Dark Sky Station var vienkārši izmantot kā platformu ķīmisko raķešu palaišanai.
Vēl ir jāizstrādā daudzas detaļas, lai orbitālais dirižablis būtu dzīvotspējīgs. Neviens par gaisu vieglāks kuģis vēl nav lidojis ar hiperskaņas ātrumu, tāpēc daudzi eksperti ir skeptiski noskaņoti pret orbitāla dirižabļa priekšlikumiem.