立項背景
早在1992年，中國就确立了以建立空間站為目标的航天計劃。這一計劃分三步，第一步是載人飛船階段，目标是能夠把宇航員送到太空，正常運行若幹天，并成功返回。
第二步是空間實驗室階段。在這個階段要解決組裝、交互對接、補給以及循環利用等四大技術。這些技術關系到空間站的組裝、宇航員在空間站的生存等關鍵問題。天宮一号就是中國在第二步計劃中為了解決交互對接問題而發射的一個目标飛行器。天宮一号被運往太空之後，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——天宮二号。天宮二号将完成再生式循環系統、有效載荷和應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”計劃中，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航天器的發射任務。
研發曆程
2011年9月，中國成功年發射了“天宮一号”目标飛行器。“天宮一号”實際上是空間實驗室的實驗版，采用兩艙構型，分别為實驗艙和資源艙。之後又成功發射了發射“神舟八号”、“神舟九号”、“神舟十号”。“神九”、“神十”分别是兩艘有人的神舟飛船，與“天宮一号”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劃，在2020年前後建成空間站之前，将發射天宮二号空間實驗室，目标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年我國将發射"天宮二号"空間實驗室，并發射神舟11号載人飛船和"天舟一号"貨運飛船，與"天宮二号"交會對接。突破和掌握推進劑補加等空間站關鍵技術，并開展一定規模的空間應用。
2014年9月，天宮二号空間實驗室、長征七号運載火箭、天舟貨運飛船，以及神舟十一号、長征二号F運載火箭等主要産品已進入研制關鍵階段，航天員地面訓練和地面設施設備準備工作，包括空間站組成模塊中的核心艙和兩個實驗艙研制工作也正在按計劃進行。海南航天發射場已基本完工，具備發射條件。
2014年10月初，天宮二号空間實驗室本階段總裝工作開始以來，實驗艙、資源艙單艙總裝分别完成了空間應用系統配套設備安裝、電纜安裝等總裝工作，充分驗證了空間應用系統載荷設備與整器的機械接口匹配性，并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。
2015年1月，中國航天科技集團公司五院完成天宮二号空間實驗室空間應用系統載荷設備安裝并交付電測。這是空間實驗室本階段總裝的标志性節點。
2015年7月，用于發射天宮二号的長二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，天宮二号總裝完成，正加緊聯調聯試。
2016年7月7日，天宮二号空間實驗室按流程完成了出廠前所有研制工作，從北京啟程，經鐵路運輸，于同月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。這标志着天宮二号與神舟十一号載人飛行任務進入實施階段。
2016年9月9日，長征二号FT2運載火箭與天宮二号空間實驗室組合體垂直轉運至發射區。
2016年9月15日22時04分12秒，天宮二号空間實驗室在酒泉衛星發射中心發射。
2016年10月19日淩晨，神舟十一号飛船與天宮二号自動交會對接成功。航天員景海鵬、陳東進入天宮二号。
2017年9月17日15時29分，在經過近5個月的飛行後，地面發送指令，天舟一号貨運飛船與天宮二号空間實驗室實施分離。按程序，天舟一号分離至後向120米并保持位置，地面确認狀态正常後，發令控制天舟一号正常撤離，天舟一号建立三軸穩定對地飛行姿态，在高度約400公裡的近圓軌道上開始獨立運行。按計劃，天舟一号還将繼續開展離軌前的拓展應用和相關試驗，提高綜合應用效益，同時也為空間站研制建造和運營管理積累經驗。
2018年9月15日，天宮二号空間實驗室已圓滿完成2年在軌飛行和各項試驗任務，目前天宮二号平台及裝載的應用載荷功能正常、狀态良好。為進一步發揮空間應用效益，9月20日天宮二号空間實驗室運營管理委員會會議研究決定，天宮二号在軌飛行至2019年7月，之後受控離軌。
2019年7月13日，根據計劃安排，天宮二号空間實驗室已完成全部拓展試驗，計劃于2019年7月19日擇機受控離軌并再入大氣層，少量殘骸将落入南太平洋預定安全海域（西經160度-90度、南緯30度-45度）。
設備構造
天宮二号空間實驗室由實驗艙和資源艙組成，總長10.4米，艙體最大直徑3.35米，太陽帆闆展開後翼展寬度約18.4米，起飛重量約8.6噸，具有與神舟載人飛船和天舟貨運飛船交會對接、實施推進劑在軌補加、開展空間科學實驗和技術試驗等重要功能。
天宮二号是在天宮一号目标飛行器備份的基礎上，根據天宮二号的任務的需要改裝研制而成。規模與天宮一号基本一緻，也是一個長期在軌自動運行、短期載人的飛行器，是我國建造空間站之前進行技術驗證的重要階段。天宮二号将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”計劃的組成部分。
天宮二号空間實驗室相對于天宮一号目标飛行器，其上搭載了全新配套的空間應用系統載荷設備，無論配套設備數量還是安裝複雜度均創造了曆次載人航天器任務之最。
我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。基本型空間站大緻包括一個核心艙、一架貨運飛船、一架載人飛船和兩個用于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。
科研任務
“天宮一号”是空間實驗室的特例，主要為了完成交會對接任務，而“天宮二号”則完全是小型空間實驗室，科學家、航天員們将在裡面展開各種工作和試驗，“天宮二号”将解決一定規模、短期有人照料的空間應用問題，航天員在天宮二号上生活的時間将比在神舟九号、神舟十号生活的時間更長。
天宮二号，計劃以黑洞等極端天體作為恒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。天宮二号上将開展地球觀測和空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的應用和試驗，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，将有飛船與之對接，将完成驗證空間站的技術，也将接受航天員的訪問。
将來随着空間實驗室體積的增大、可靠性的提高，将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。空間站可以允許若幹個宇航員同時長期駐守太空，噸位可重達20噸。發射這樣重的物體需要使用重型火箭，由于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，有利于增強火箭的運載能力。
“天宮二号”空間實驗室裝載了空間冷原子鐘、空地量子密鑰分配試驗等14項空間應用載荷。内容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。
冷原子鐘
世界首台太空運行，可以将航天器自主守時精度提高兩個數量級，大幅提高導航定位精度。在軌近兩年時間裡完成了全部既定測試任務，實現3000萬年誤差小于1秒的預定目标，将人類在太空的時間計量精度提高1至2個數量級。
伽馬暴觀測
天宮二号空間實驗室搭載的伽馬暴偏振探測儀完成了伽馬射線暴瞬時輻射的高精度偏振探測，相關成果于2019年1月14日在線發表于國際學術期刊《自然·天文學》。該成果的是自20世紀60年代伽馬暴發現以來所取得的最佳偏振觀測結果，有利于更好理解黑洞的形成和極端相對論噴流的産生等基本天體物理過程，将對研究宇宙中極端物理環境和條件下的基礎科學問題發揮重要作用。
科普項目
另外，“天宮二号”空間實驗室搭載了香港中學生太空科技設計大賽獲獎的3個實驗項目，計劃在太空開展科普實驗活動。
發射規劃
中國載人航天團隊成功發射天宮一号以來，天宮一号先後與神舟八号、九号和十号飛船完成6次自動和航天員手控空間交會對接。天宮一号已經在軌運行四年半，狀态良好，已圓滿超額完成了預定的全部任務，各類裝載設備功能正常，具備繼續在軌工作條件。
天宮二号為天宮一号目标飛行器的備份器，對其進行微小的改進後，由長征二号F改進型無人運載火箭，或長征七号運載火箭從酒泉衛星發射中心發射升空，即類似天宮一号目标飛行器的發射情況。但因天宮一号消耗燃料較少，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号的質量，約13噸，和原計劃發射的天宮三号同質量級别。如此一來，天宮二号可能是取代了原計劃天宮三号的任務，完成三步走第二步的第二階段。但天宮三号是否被取消，而天宮二号任務結束後是否會直接發射空間站的核心艙尚不明了，相關決定大概取決于天宮二号任務的結果。
計劃将于2016年第四季度，發射神舟十一号飛船，搭乘2名航天員，與天宮二号對接，進行人在太空中期駐留試驗；在此之前，已經在文昌衛星發射中心進行長征七号運載火箭首飛試驗，将于2017年上半年，用長征七号運載火箭發射天舟一号貨運飛船，與天宮二号對接，開展推進劑補加等相關試驗。長征七号是我國全新研制的運載火箭，是我國新一代中型運載火箭的基本型号。它具有一系列自主知識産權的核心技術，是我國首枚“數字化”火箭，從設計到生産，均采用全三維數字平台。
2020年前後完成中國空間站建造任務。空間實驗室任務标志我國載人航天進入應用發展新階段，承前啟後，意義重大。
中國航天員中心副總工程師黃偉芬此前曾表示，鑒于空間站任務對航天員的身心素質及專業知識要求更高，第三批航天員來源将會與前兩批有所不同。“從第三批開始我們将從跟載人航天工程相關的研制部門選拔工程師，加入到航天員的隊伍。”
