有些太空船的設計目標是抵達目標後長期駐留。軌道飛行器會進入目標天體的軌道，並對其進行數月甚至數年的研究，透過多次飛掠收集數據，而不是像其他太空船那樣進行短暫的飛掠。
權衡的因素是燃料。進入遙遠行星的軌道需要很大的速度變化，這意味著要么使用笨重的推進系統，要么採用緩慢但燃料效率高的進近方式，利用引力輔助和氣動煞車。
值得注意的軌道器
- 火星勘測軌道飛行器
- 卡西尼號飛向土星
- 月球勘測軌道飛行器
- 朱諾號在木星
軌道飛行器通常攜帶多種儀器：相機、光譜儀、雷達和磁力計。資料透過小型無線電鏈路緩慢傳輸，因此機載儲存和壓縮與儀器本身同樣重要。
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