立項背景
天宮二號第二步是空間實驗室階段。在這個階段要解決組裝、互動對接、補給以及循環利用等四大技術。這些技術關係到空間站的組裝、太空人在空間站的生存等關鍵問題。天宮一號就是中國在第二步計畫中為了解決互動對接問題而發射的一個目標飛行器。天宮一號被運往太空之後，通過對接可以被改造成一個短期有人照料的空間實驗室。
對接技術成熟之後，就可以發射真正的空間實驗室——天宮二號。天宮二號將完成再生式循環系統、有效載荷和套用系統的實驗以及其他一些科研項目。經過空間實驗室階段，在中國的載人航天“三步走”計畫中，我國最終要建設的是一個基本型空間站，為此，我國會在海南文昌新建繼酒泉、太原、西昌之後的第四個航天發射場，主要承擔地球同步軌道衛星、大質量極軌衛星、大噸位空間站和深空探測衛星等太空飛行器的發射任務。
研發歷程
天宮二號“天宮一號”實際上是空間實驗室的實驗版，採用兩艙構型，分別為實驗艙和資源艙。之後又成功發射了發射“神舟八號”、“神舟九號”、“神舟十號”。“神九”、“神十”分別是兩艘有人的神舟飛船，與“天宮一號”順利完成了有人及無人自動對接試驗。
2014年3月2日，全國政協委員、中國載人航天工程總設計師周建平表示，按照我國載人航天計畫，在2020年前後建成空間站之前，將發射天宮二號空間實驗室，目標是建成我國正式的空間實驗室大系統。
2014年9月10日上午，太空探索者協會第27屆年會開幕，中方大會主席楊利偉透露：2016年我國將發射"天宮二號"空間實驗室，並發射神舟11號載人飛船和"天舟一號"貨運飛船，與"天宮二號"交會對接。突破和掌握推進劑補加等空間站關鍵技術，並開展一定規模的空間套用。
2014年9月，天宮二號空間實驗室、長征七號運載火箭、天舟貨運飛船，以及神舟十一號、長征二號F運載火箭等主要產品已進入研製關鍵階段，航天員地面訓練和地面設施設備準備工作，包括空間站組成模組中的核心艙和兩個實驗艙研製工作也正在按計畫進行。海南航天發射場已基本完工，具備發射條件。
2014年10月初，天宮二號空間實驗室本階段總裝工作開始以來，實驗艙、資源艙單艙總裝分別完成了空間套用系統配套設備安裝、電纜安裝等總裝工作，充分驗證了空間套用系統載荷設備與整器的機械接口匹配性，並順利完成正樣實驗艙的質量特性測試，為保證總裝交付電測順利進行，打下堅實基礎。
天宮二號飛行器發射升空2015年1月，中國航天科技集團公司五院完成天宮二號空間實驗室空間套用系統載荷設備安裝並交付電測。這是空間實驗室本階段總裝的標誌性節點。
2015年7月，用於發射天宮二號的長二F火箭開始總裝。
2016年4月11日，北京航天飛行控制中心表示，天宮二號總裝完成，正加緊聯調聯試。
2016年4月15日，中國航天科技集團公司網站報導，天宮二號空間實驗室已經完成大型試驗後的總裝並交付電測。
2016年6月25日，長征七號運載火箭在海南文昌航天發射場首飛成功。
2016年7月7日，天宮二號空間實驗室按流程完成了出廠前所有研製工作，從北京啟程，經鐵路運輸，於同月9日安全運抵酒泉衛星發射中心載人航天發射場，開展發射場區總裝和測試工作。這標誌著天宮二號與神舟十一號載人飛行任務進入實施階段。
2016年9月9日，長征二號FT2運載火箭與天宮二號空間實驗室組合體垂直轉運至發射區，並在發射區開展功能檢查和聯合測試工作，加注推進劑。
2016年9月15日22時04分，中國在酒泉衛星發射中心用長征二號FT2運載火箭將天宮二號空間實驗室發射升空。
2016年9月15日22時28分，空間實驗室飛行任務總指揮長張又俠宣布：天宮二號空間實驗室發射任務取得圓滿成功！
2016年9月16日，天宮二號於成功實施了兩次軌道控制，順利進入運行軌道。
2016年9月22日，天宮二號空間套用系統有效載荷全面進行在軌測試。
2016年9月25日，北京航天飛行控制中心成功進行兩次軌道控制，將天宮二號調整至距地面393公里的軌道上，使其正式進入交會對接準備階段。
2016年10月19日凌晨，神舟十一號飛船與天宮二號自動交會對接成功。航天員景海鵬、陳東進入天宮二號。
2016年10月20日，天宮二號與神舟十一號進行了組合體飛行期間的首次軌道維持，降低了軌道高度，由原先的倒飛狀態轉為正飛。
2016年10月23日早晨7點31分，天宮二號的伴隨衛星從天宮二號上成功釋放。在釋放過程中，航天員景海鵬和陳冬利用手持攝像機從艙內拍攝到了伴隨衛星從天宮二號下方百米之外掠過的視頻。
設備構造
天宮二號是在天宮一號目標飛行器備份的基礎上，根據天宮一號的任務時改裝研製而成。規模與天宮一號基本一致，也是一個長期在軌自動運行、短期載人的飛行器，是中國建造空間站之前進行技術驗證的重要階段。天宮二號將攜帶國際首個專用的高靈敏度伽馬射線暴偏振測量儀器。這項中國－瑞士合作開展的“伽馬暴偏振探測項目”（POLAR）是中國空間天文“黑洞探針”計畫的組成部分。天宮二號空間實驗室相對於天宮一號目標飛行器，其上搭載了全新配套的空間套用系統載荷設備，無論配套設備數量還是安裝複雜度均創造了歷次載人太空飛行器任務之最。
天宮二號較大的改進是裝備更豪華、裝載量提高、內部環境更好。值得一提的是，天宮二號的系統設計是模組化的，也就是說它出現問題時可以快速更換和在軌維修，這在國內空間領域屬於首創。
其中一個新安裝的設備是機械臂，將測試開展艙外搬運和維修。這個機械臂由中國航天科技五院自主研發。這種設備目前在國際空間站上已經使用，但在中國航天領域仍處於試驗階段。
中國最終要建設的基本型空間站，它的規模不會超過國際空間站。基本型空間站大致包括一個核心艙、一架貨運飛船、一架載人飛船和兩個用於實驗等功能的其它艙，總重量在100噸以下。其中的核心艙需長期有人駐守，能與各種實驗艙、載人飛船和貨運飛船對接。具備20噸以上運載能力的火箭，才有資格發射核心艙。
天宮二號採用實驗艙和資源艙兩艙構型，全長10.4米，最大直徑3.35米，太陽翼展寬約18.4米，重8.6噸，設計在軌壽命2年。
科研任務
天宮二號天宮二號，計畫以黑洞等極端天體作為恆星和星系演化的探針，理解宇宙極端物理過程和規律，解答宇宙組成和演化。天宮二號上將開展地球觀測和空間地球系統科學、空間套用新技術、空間技術和航天醫學等領域的套用和試驗，是中國第一個真正意義上的空間實驗室，發射時釋放伴飛小衛星，將有飛船與之對接，將完成驗證空間站的技術，也將接受航天員的訪問。
將來隨著空間實驗室體積的增大、可靠性的提高，將逐步發展成為空間站的核心艙或者實驗艙，增加太空實驗的項目和種類，為建成空間站奠定基礎。空間站可以允許若干個太空人同時長期駐守太空，噸位可重達20噸。發射這樣重的物體需要使用重型火箭，由於使用的火箭直徑較大，無法通過鐵路運輸，所以用海路運往海南航天發射中心發射。同時，海南航天發射場靠近赤道，有利於增強火箭的運載能力。
天宮二號將成中國最忙碌的空間實驗室，各類計畫的實驗項目達到了史無前例的14項，涉及微重力基礎物理、空間材料科學、空間生命科學等多個領域，其中兩項有駐留30天的航天員直接參與操作，一項為國際合作。這些項目中，大多是當前世界最前沿的探索領域。
比如，天宮二號將搭載全球第一台冷原子鐘進入太空，並進行相關實驗。利用太空微重力條件，這台冷原子鐘的穩定度將高達10的負16次方，可以將太空飛行器自主守時精度提高兩個數量級，能大幅提高如北斗衛星定位系統的導航精度。
比如，試驗從太空分發量子密鑰。密鑰分發是實現“無條件”安全的量子通信的關鍵步驟。量子是微觀物理世界裡不可分割的基本個體。由於作為信息載體的單光子具有不可分割、量子狀態不可克隆等特性，密鑰分發可以抵禦任何形式的竊聽，進而保證用其加密的內容不可破譯。從原理上來說，這種通信方式就是無條件安全的。
全長2000多公里的“京滬幹線”大尺度光纖量子通信骨幹網正在收尾，將在2016年下半年建成；全球首顆量子科學實驗衛星有望在7月發射。屆時，一個天地一體化的量子通信網路的雛形將會形成。在這個過程中，天宮二號可以扮演量子衛星中轉的角色，實驗遠距離量子通信，讓信息在地面城市與太空構築的範圍內實現“無條件”的安全傳輸。
天宮二號還將搭載中國科學院，瑞士保羅謝爾研究所，瑞士日內瓦大學聯合研製的伽馬暴探測設備，測量宇宙的伽馬暴射線和散射狀態，以黑洞等極端天體作為恆星和星系演化的探針，理解宇宙極端物理過程和規律，解答宇宙組成和演化。從而研究揭示宇宙結構、起源、演化等問題。
此外天宮二號還選擇了水稻和擬南芥，計畫進行‘從種子到種子’的植物全生育發展過程實驗。
發射規劃
天宮二號天宮二號為天宮一號目標飛行器的備份器，對其進行微小的改進後，由長征二號F改進型無人運載火箭，或長征七號運載火箭從酒泉衛星發射中心發射升空，即類似天宮一號目標飛行器的發射情況。但因天宮一號消耗燃料較少，飛行壽命延長，成功地完成了中國航天三步走的第二步第一階段，工程人員決定提高天宮二號的質量，約13噸，和原計畫發射的天宮三號同質量級別。如此一來，天宮二號可能是取代了原計畫天宮三號的任務，完成三步走第二步的第二階段。但天宮三號是否被取消，而天宮二號任務結束後是否會直接發射空間站的核心艙尚不明了，相關決定大概取決於天宮二號任務的結果。
2016年10月中下旬，將發射神舟十一號飛船，並搭乘2名航天員，天宮二號飛船將在393公里高空與之對接，進行人在太空中期駐留試驗。此外，中國空間天文界還提出了“天體號脈”和“天體肖像”計畫。
2017年4月中旬，將使用長征七號運載火箭發射天舟一號貨運飛船，與天宮二號對接，開展推進劑補加等相關試驗。
2018年前後發射空間站核心艙進行試驗工作。
2020年之前，中國計畫初步完成空間站建設，預計空間站屆時將在中國新建的海南航天發射場發射。空間實驗室任務標誌中國載人航天進入套用發展新階段，承前啟後，意義重大。
性能特點
特點1：艙內設計更宜居方便天宮生活
天宮二號空間實驗室發射之後，將會有兩名航天員入住天宮，他們將在那裡工作和生活30天，驗證航天員中期在軌駐留，這也是目前為止中國載人飛行時間最長的一次任務。
在一個失重的環境中生活30天，並不是一件容易的事。為此，天宮二號在內部增加了很多貼心的設計，更加方便航天員的工作和生活。
天宮二號空間實驗室總設計師朱樅鵬表示，為給航天員創造一個更好的生活和工作環境，系統地開展了宜居性設計，包括衣食住行，聲光、艙內裝飾、降低噪音等，並增加了一些輔助設施。
朱樅鵬介紹，這其中一個輔助設施，就是首次在天宮二號空間實驗室中使用可展開的多功能小平台。有了它，航天員可以在上面寫字、吃飯、做一些科學實驗，生活工作兩不誤。在通信方面，天宮二號上為航天員配備了藍牙耳機和藍牙音響便於天地通訊。
此外，艙內還用地板取代了地毯；艙內燈光則採用米黃色色調，亮度可手動調節，並為每個航天員安裝了床前燈。
特點2：天宮二號裝備更豪華裝載量提高
天宮二號與2011年發射的天宮一號有什麼不同？又有哪些技術上的突破？
天宮二號空間實驗室是在“天宮一號”基礎上研製的太空飛行器，外形完全相同，卻承擔不同的任務——“天宮一號”是目標飛行器，主要執行的是和載人飛船配合完成空間交會對接試驗任務；而“天宮二號”則是中國第一個具備太空補加功能的載人航天實驗室，要第一次實現航天員30天駐留、第一次試驗推進劑太空補加技術，以及開展大規模的科學實驗。
中國航天科技集團公司五院空間實驗室系統副總設計師廖建林介紹，“天宮二號”不僅裝備更豪華、裝載量提高、內部環境更好，搭載的設備也更先進。
值得一提的是，“天宮二號”的系統設計是模組化的，也就是說它出現問題時可以快速更換和在軌維修，這在國內空間領域屬於首創。
特點3：“天宮二號”將進行14項空間科學實驗
作為中國首個真正意義上的太空實驗室，“天宮二號”空間實驗室除了要驗證航天員在軌中期駐留，還將開展14項空間科學和套用實驗，這也是中國載人航天史上空間科學任務最多的一次。那么，究竟有哪些科學實驗進入到了這個空間實驗室？又會對中國科研和百姓生活帶來哪些影響？
“天宮二號”分為實驗艙和資源艙兩個艙段，利用其實驗室平台的支持能力，空間套用系統安排了一批體現科學前沿和戰略高技術發展方向的科學與套用任務。
主要涉及微重力基礎物理、微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文探測、空間環境監測、對地觀測及地球科學研究套用以及套用新技術試驗等八個領域。
具體包括空間冷原子鐘實驗、綜合材料製備實驗、高等植物培養實驗，伽瑪暴偏振探測等空間科學實驗與探測項目；寬波段成像光譜儀，空地量子密鑰分配試驗、伴隨衛星飛行試驗等套用和新技術試驗項目等，總計14項。除了伽瑪暴偏振探測是與國外科學家合作聯合研究外，其餘13項科學實驗將全部由中國科學家自主完成。
航天員搭乘神舟十一號飛船與天宮二號對接後，也將會直接參與操作其中的兩項實驗，分別是綜合材料製備實驗和高等植物培養實驗。中科院空間套用中心有效載荷運控中心主任郭麗麗介紹，天宮二號也是未來空間站的一個雛形，它是真正意義上一個空間實驗室。為充分利用這個實驗室的資源，安排了比較豐富的科學套用項目。
空間冷原子鐘
有望實現3千萬年誤差一秒
天宮二號空間實驗室將開展的實驗中，包括了空間科學物理領域重點項目——空間冷原子鐘實驗，有望實現3千萬年誤差一秒的超高精度，對衛星定位導航等生產生活及引力波探測等空間科學研究將產生重大影響。空間冷原子鐘可以將太空飛行器自主守時精度提高兩個數量級，大幅提高導航定位精度。
天宮日誌
2016年10月19日3時31分，神舟十一號飛船與天宮二號自動交會對接成功。航天員景海鵬、陳冬進入天宮二號。（按照天地同步作息時間，每工作6天可以休整一天，把每天的工作、生活安排得井井有條。）
2016年10月19日（第一天）：航天員的天宮完成了轉移物品、確認儀表設定、進行飛行器狀態巡檢、回收試驗件等任務後，直到下午兩點才休息。下午，剛剛搬家到天宮的航天員，就開始了一個關於天地遠程會診的測試。下午4點，遠程醫療天地協同會診鏈路測試和常規醫學檢查及無創心功能檢測同步展開。
2016年10月20日（第二天）：兩位航天員開始進入了正常作息，他們不僅首次在太空跑台上進行失重防護鍛鍊，還親手種下了生菜種子，未來他們將在太空中完成植物播種、培育、收割的全過程。更有意思的是出現在天宮二號實驗艙內的蠶寶寶。
2016年10月21日（第三天）：今晚，中央電視台《新聞聯播》首次在太空播出，兩名航天員天地同步收看到了《新聞聯播》節目。天宮二號還開啟了人類史上首次太空腦機互動實驗。這項實驗可將航天員的思維活動轉化為操作指令，並監測航天員的腦力負荷等狀態。
2016年10月22日（第四天）：兩個航天員正在收集全天的工作數據，準備下傳給地面。天宮二號航天員攜帶了筆記本電腦，不但可以協助做很多實驗測試，還能收發郵件、實時地下傳實驗數據等等。
2016年10月26日（第八天）：六隻蠶寶寶太空吐絲結繭。
2016年11月4日（第十七天）：神舟十一號航天員在太空用特製包裝首次泡茶。
2016年11月17日，景海鵬和陳冬將開始進行撤離天宮二號的準備工作，並進入神舟飛船，之後將返回地面。
