Orbitaalne õhulaev ehk “kosmosepilv” on kavandatud vahend lasti viimiseks maapinnalt madalale maa orbiidile ilma tavapärast raketitehnikat kasutamata. Orbitaalse õhulaeva konstruktsioon koosneb kolmest etapist, mis on kavandatud kandma kasulikke koormaid maalt kosmosesse umbes nädalaga. Kuigi sellise laeva loomise nimel tegutseb mitu organisatsiooni, on see kontseptsioon kõige tuntum osa programmist Airship to Orbit (ATO), mille on kavandanud Californias asuv vabatahtlike organisatsiooni JP Aerospace, mis näeb end NASA erakonkurendina. Hoolimata JP Aerospace’i entusiasmist kavandatava disaini osas, on mitmed sõltumatuid analüüse tegevad eksperdid väitnud, et teatud detailid on füüsiliselt teostamatud.
ATO esimene etapp on tavaline heeliumiga täidetud õhulaev. V-kujuline, et olla aerodünaamiline, on see märgistatud Ascenderiks. Orbitaalne õhulaev tõuseb umbes 25 miili (40 km) kõrgusele, seejärel dokkib teise etapiga, alalise meeskonnaga platvormi nimega Dark Sky Station (DSS).
Nagu Ascender, on ka Dark Sky Station täispuhutud struktuur ilma jäiga kestata. Esimesel etapil on takistatud tõusmine kaugemale kui 25 miili (40 km), sest iga õhulaev, mis suudab ellu jääda atmosfäärituules, oleks kahjuks liiga raske, et kosmosesse sõita. Nii Ascenderi kui ka Dark Sky Stationi prototüüpe on juba loodud.
ATO kolmas etapp on Orbital Ascender, 6,000 jala (1.8 km) pikkune õhu-/kosmoselaev, mis on ette nähtud reisiks DSS-ist 93 miili (150 km) ehk madalale Maa orbiidile. Kuigi heelium on 25 miili (40 km) kõrgusel endiselt õhust kergem, väheneb see mõju ja lõpuks peatub, muutes veesõiduki ümbritsevast raskemaks. 93 miili (150 km) kõrgusel on õhu tihedus vaid kolm miljardit osa sellest, mis see on merepinnal.
JP Aerospace on teinud ettepaneku katta see massiivne Ascender päikesepaneelidesse ja kasutada ioonmootoreid, et kiirendada veesõiduki kiiruseni ligikaudu 5 miili sekundis (8,000 meetrit sekundis), mis on mis tahes objekti orbiidile jõudmiseks vajalik kiirus. Väidetavalt võtab see protsess aega umbes viis päeva.
Kahjuks näitavad mõned lihtsad arvutused, et päikesepaneelidega ühendatud ioonmootorid ei anna piisavat tõukejõudu, et viia massiivne gaasiümbris atmosfäärist väljumiseks vajaliku kiiruseni. Võimalik, et põletades pardal vesinikku, luues tõusu ajal aerodünaamilisemaks muutmiseks kokkukäiva tõmbekujulise konstruktsiooni või kiirgades võimsust mikrolaine kujul Dark Sky Stationist Orbital Ascenderisse, võib see skeem muutuda praktiliseks. Teise võimalusena võib Dark Sky jaama lihtsalt kasutada keemiarakettide käivitamise platvormina.
Orbitaalse õhulaeva elujõuliseks muutmiseks tuleb veel palju detaile välja töötada. Ükski õhust kergem veesõiduk pole veel hüperhelikiirusel lennanud, mistõttu on paljud eksperdid orbitaalõhulaeva ettepanekute suhtes skeptilised.