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  天宮一號作為一個目標飛行器,有別於太空實驗室或太空站核心艙和實驗艙,其目的只是作為其他飛行器的接合點,並不會長時間逗留太空。天宮一號設計飛行壽命為兩年,而實際飛行了四年時間。2011年11月3日,神舟八號與天宮一號於凌晨1時36分完成對接,是中國太空史上第一次太空飛行器對接,也使中國成為繼蘇聯(俄羅斯)、美國後的第三個完成太空對接的國家。  2016年3月21日,中國載人航天工程辦公室宣佈天宮一號超期服役兩年半,在完成各項在軌試驗後已完成其歷史任務,其功能於近日失效並終止了資料連線,將落入地球大氣層燒燬。

  

  2011年6月29日,進入酒泉衛星發射中心的「天宮一號」目標飛行器目前的各項測試工作也同樣順利。2011年7月24日,中國《解放軍報》報導,用於發射「天宮一號」目標飛行器的「長征二號F」運載火箭已抵酒泉衛星發射中心,飛行任務參試人員等已集結載人航天發射場,目前,各項準備工作進展順利。為達成交會對接任務,「長征二號F」運載火箭共進行近170項技術更改,其中有5項技術是首次使用。2011年9月21日,中國載人航天新聞發言人宣佈,天宮一號將於9月27日至30日擇機發射。2011年9月25日,酒泉衛星發射中心負責人表示,在27日和28日兩天,因為天氣原因不適合進行航天發射,所以天宮一號發射視窗將在29日和30日之間進行選擇。

  2011年9月29日,中共中央總書記胡錦濤等中共中央政治局常委親臨觀看發射實況,其中胡錦濤等七位常委在北京航天飛行控制中心觀看實況,溫家寶和賀國強則前往酒泉衛星發射中心觀看發射。北京時間21時16分3.507秒由長征二號F改進型運載火箭成功發射升空。

  2011年9月31日凌晨1時58分,「天宮一號」繞地飛行了四圈,到達近地點時順利進行了第一次變軌,開機時長是32.3秒。2011年9月30日16時9分,在北京航天飛行控制中心精確控制下,天宮一號成功實施第二次軌道控制,近地點高度由兩百公里抬升至約362公里,順利進入在軌測試軌道。  2011年10月1日,天宮一號環境控制和生命保障系統啟動,轉入自主執行。2011年10月10日,天宮一號升空後首次對外發布太空中的照片。圖片為其自身攜帶攝像機拍攝,其中可以看到天宮一號資源艙外表的區域性和中繼衛星天線。

  2011年11月3日,神舟八號與天宮一號於三日凌晨1時36分完成對接,是中國太空史上第一次太空飛行器對接,也使中國繼前蘇聯(俄羅斯)、美國後,成為第三個完成太空對接的國家。2011年11月14日19時28分,天宮一號目標飛行器與神舟八號飛船交會對接機構順利解鎖,組合體成功分離,神舟八號飛船緩緩撤離至一百四十米停泊點。20時00分,在北京航天飛行控制中心的精確控制下,天宮一號與神舟八號成功進行第二次交會對接。這次對接試驗成功,進一步考核檢驗了交會對接測量裝置和對接機構的功能與效能,獲取了相關資料,達到了預期目的。2012年6月18日14時14分,在完成捕獲、緩衝、拉近和鎖緊程式後,神舟九號與天宮一號緊緊相牽,中國首次載人交會對接(自動交會對接)取得成功。對接完成、兩飛行器形成穩定執行的組合體後,航天員於17時左右進入天宮一號目標飛行器。2013年6月24日,神舟九號航天員駕駛飛船與天宮一號目標飛行器順利對接,中國首次空間手控交會對接試驗成功。這意味著,中國完整掌握了空間手控交會對接技術,具備了以不同對接方式向在軌飛行器進行人員輸送和物資補給的能力。

  天宮一號與神舟九號第一次組合體飛行期間,太空人短期駐留六天,開展載人環境維護操作、在軌航天醫學實驗和更換維修性試驗等工作。2012年6月16日17時6分,景海鵬開啟了天宮一號實驗艙的艙門。景海鵬與劉旺於17時7分相繼進入天宮一號。在此期間,劉洋在返回艙值守。十幾分鍾後,劉洋也進入天宮一號實驗艙。  2013年6月18日,神舟十號航天員駕駛飛船與天宮一號目標飛行器順利對接,航天員進入到天宮一號內部,將開展為期十五天的在軌生活和科研活動。2012年6月20日,中國航天員王亞平在天宮一號上進行了首次五十分鐘的太空授課。  天宮一號實驗艙內有不少電子裝置。為了保證安全,飛行器內部氣密隔艙,採用了大量圓角設計,避免太空人與艙壁碰撞而受傷。天宮一號內每個區域旁邊,都設有數量不等的手腳限位器,總數達到三十餘個,每個長約二十釐米,採用錦絲帶材質的手腳限位器設定在艙壁四周。這種小型裝置可以讓太空人在失重飄移狀態下,固定太空人。

  2016年3月21日,中國載人航天工程辦公室宣佈天宮一號超越了預期服役了兩年半,在完成各項在軌試驗後,其歷史任務已完成,並終止了資料連線,天宮一號由於電池故障將進入地球大氣層燒燬。經北京航天飛行控制中心和有關機構監測分析,2018年4月2日8時15分左右,天宮一號目標飛行器已再入大氣層,載入落區位於南太平洋海域,絕大部分器件在再入大氣層中被燒燬。

  天宮一號飛行器長十點四米、最大直徑3.35米、重量約8.5噸。  天宮一號內部分為兩個艙,包括了為航天飛行提供動力資源艙,也作為了航天員生活工作的密封艙。並在前半部分附設一個臨時性質的實驗艙,前端有一個對接機構,還有一些實驗袋,可進行一些醫學、再生生保實驗等;
天宮一號是中華人民共和國的一個實驗性軌道飛行器,重達8.5噸,設計壽命為兩年。天宮一號於北京時間2011年9月29日21時16分3.507秒發射升空,2016年3月21日停止執行,2018年4月2日8時15分左右再入大氣層,墜入南太平洋中部區域。