有些航天器的设计目标是抵达目标后长期驻留。轨道飞行器会进入目标天体的轨道，并对其进行数月甚至数年的研究，通过多次飞掠收集数据，而不是像其他航天器那样进行短暂的飞掠。
权衡的因素是燃料。进入遥远行星的轨道需要很大的速度变化，这意味着要么使用笨重的推进系统，要么采用缓慢但燃料效率高的进近方式，利用引力辅助和气动刹车。
值得注意的轨道器
- 火星勘测轨道飞行器
- 卡西尼号飞向土星
- 月球勘测轨道飞行器
- 朱诺号在木星
轨道飞行器通常携带多种仪器：相机、光谱仪、雷达和磁力计。数据通过小型无线电链路缓慢传输，因此机载存储和压缩与仪器本身同样重要。
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