轨道轰炸机是处在次轨道状态下或绕次轨道运行的太空轰炸机。次轨道轰炸机可以携带大当量核武器、大量常规武器和多种新概念武器（比如太空动能武器和光束武器），在太空轨道上对地面目标实施远距离直接打击。

它是天基航天器的一种，是在空间轨道运行、装有较大当量核弹、需要时即可按指令重返大气层选择某一地面目标对其实施核突击的先进武器。

在20世纪80年代末，欧美国家纷纷提出了各自的空天飞机计划，比如美国航空航天局NASA的X-30，英国的“霍托尔”，德国的“桑格尔”等空天飞机，美国在这方面拥有大量的试验和飞行器。

X-37B是美国波音公司研制的无人驾驶空天飞机，这是第一架既能在地球轨道飞行，又能进入大气层的航空器，被外界认为是未来太空战斗机的雏形。

X-37B体积很小，但功能十分齐全，装有一个内置货舱，载荷能力达两吨，有军事专家认为，未来X-37B可以携带导弹或激光发射器等先进的武器装备对敌实施远程精确打击，甚至对其他国家的航天器实施控制摧毁等攻击措施，此外，X-37B还具备侦查能力，能搭载多种侦查设备，将侦查信息实时传递给作战单位，如此看来，X-37B在将来完全能成为轨道轰炸机或轨道侦查卫星。

波音公司为美国空军设计的一种载人航天轰炸机X-20“代纳索”，可以超过5马赫的高超音速飞行，执行侦察、武器投放等军事任务。X-20由“大力神”火箭送入地球轨道，可进行多圈轨道飞行。

美国的B-3轰炸机据说未来也是轨道轰炸机，B-3轰炸机采用冲压式喷气发动机或超音速燃烧冲压式喷气发动机驱动，加上其外形设计所带来的高升阻比，B-3轰炸机能以5倍音速或者更高的速度飞行，可在1小时之内横越大西洋，数小时之后轰炸世界任何地点。

X-51A飞行器，为了适应高超声速的飞行以及从空间直接再人大气层的飞行，飞机的表面要能承受高达4500℃的高温。为此，整个机体涂覆了一层耐热烧蚀材料，特别在验证机的腹部覆盖了与航天飞机一样的隔热瓦。

X-51A采用“乘波体”技术是一种新颖的飞行机制，与普通飞机采用机翼产生升力的机制迥然不同，特别适宜于在大气层边缘以高超声速飞行，具有不可估量的军事威慑力。亚轨道高超声速飞行器的飞行轨迹像飞机一样不可预测，而且没有反复绕地球的规律，可供拦截的窗口也稍纵即逝，拦截难度大大提高。然而，像X-51A这样的亚轨道高超声速飞行器也存在自身难题。

X-43轨道飞翔器是美国国家航空航天局（NASA）旗下德莱顿飞行研究中心所开发的极音速飞行实验机，也是迄今为止人类所造出使用外进气动力的飞行器中，速度最快的纪录保持者。采纳冲压动员机的无人机，因为飞翔速率太快，跨越人类的承受能力，将来很有可能将实现人工智能操纵。

和轨道轰炸机对应的是轨道轰炸系统，外界还给这种可怕的武器系统取名上帝之杖，有传言说美军从2012年开始研制，计划在2025年之前完成“上帝之杖”的部署。由位于低轨道的两颗卫星平台组成，其中一颗卫星搭载有名为“上帝之杖”的金属棒，该金属棒由钨、钛或铀金属制成，直径30厘米、长6.1米、重量达几吨。