Orbitalni zračni brod, ili “svemirski blimp”, predloženo je sredstvo za premještanje tereta sa zemlje u nisku zemaljsku orbitu bez upotrebe konvencionalne raketne tehnike. Dizajn orbitalnog zračnog broda sastoji se od tri faze, dizajnirane za premještanje korisnog tereta sa zemlje u svemir za otprilike tjedan dana. Iako postoji nekoliko organizacija koje rade na stvaranju takvog broda, koncept je najpoznatiji dio programa pod nazivom Airship to Orbit (ATO), koji je zamislio JP Aerospace, volonterska organizacija sa sjedištem u Kaliforniji koja sebe vidi kao privatnog konkurenta NASA-i. Unatoč entuzijazmu JP Aerospacea oko njihovog predloženog dizajna, brojni stručnjaci koji rade neovisne analize tvrdili su da su određeni detalji fizički neizvedivi.
Prva faza ATO-a je konvencionalni zračni brod napunjen helijem. U obliku slova V radi aerodinamičnosti, označen je kao Ascender. Orbitalni zračni brod uspinje se na oko 25 milja (40 km), a zatim pristaje uz drugu fazu, stalnu platformu s posadom koja se zove Dark Sky Station (DSS).
Poput Ascendera, stanica Dark Sky je napuhana struktura bez krute ljuske. Prva faza je spriječena da se uzdigne preko 25 km jer bi bilo koji orbitalni zračni brod sposoban preživjeti atmosferske vjetrove, nažalost, bio pretežak za putovanje u svemir. Već je stvoreno nekoliko prototipova i Ascender i Dark Sky Station.
Treća faza ATO-a je Orbital Ascender, zračni/svemirski brod dug 6,000 stopa (1.8 km) dizajniran za putovanje od DSS-a do 93 milje (150 km) ili niske Zemljine orbite. Iako je helij još uvijek lakši od zraka na 25 milja (40 km), ovaj učinak se smanjuje i na kraju prestaje, čineći letjelicu težim od okoline. Na 93 milje (150 km) gustoća zraka je samo tri milijarditi dio od one na razini mora.
JP Aerospace je predložio pokrivanje ovog masivnog Ascendera solarnim panelima i korištenje ionskih motora za ubrzanje letjelice do otprilike 5 milja u sekundi (8,000 metara u sekundi), što je brzina potrebna da bilo koji objekt stigne u orbitu. Tvrdi se da bi ovaj proces trajao oko pet dana.
Nažalost, neki jednostavni izračuni pokazuju da ionski motori u kombinaciji sa solarnim panelima ne bi pružili dovoljan potisak za pokretanje masivnog omotača plina do brzine potrebne za izlazak iz atmosfere. Vjerojatno sagorijevanjem vodika na brodu, stvaranjem dizajna balona koji se sklapa tijekom uspona kako bi postao aerodinamičniji, ili zračenjem snage u mikrovalnom obliku od stanice Dark Sky do Orbital Ascender, ova bi shema mogla postati praktična. Alternativno, stanica Dark Sky bi se jednostavno mogla koristiti kao platforma za lansiranje kemijskih raketa.
Još je potrebno razraditi mnoge detalje kako bi orbitalni zračni brod bio održiv. Nijedna letjelica lakša od zraka još nije letjela hipersoničnim brzinama, zbog čega su mnogi stručnjaci skeptični prema prijedlozima orbitalnog zračnog broda.