主要用于验证空间站交会对接、物资补给、组合体管理和长期载人飞行等关键技术，为建造中国空间站进行技术准备。由中国空间技术研究院研制。共研制和发射了两个载人轨道站，即“天宫”1号目标飞行器和“天宫”2号空间实验室。

“天宫”号空间实验室长10.4米，最大直径3.35米，太阳翼展宽18.4米，重8.6吨，航天员活动的空间约15立方米，可支持3名航天员驻留，设计寿命2年。由实验舱和资源舱两舱组成，实验舱前端安装有对接设备和舱门，支持与中国“神舟”号载人飞船或“天舟”号货运飞船交会对接。实验舱为密封舱，主要配置环境控制与生命保障、仪表与照明及居住环境等分系统的设备，保证航天员在轨飞行期间的工作和生活的大气环境、居住环境。资源舱为非密封舱，主要配置电源和推进分系统，为在轨飞行提供能源和动力。“天宫”号空间实验室首先由“长征”2号F运载火箭将无人状态的“天宫”空间实验室送入初始轨道，“天宫”空间实验室进行轨道机动进入运行轨道，“神舟”号载人飞船或“天舟”号货运飞船先后与“天宫”空间实验室交会对接，进行组合飞行和试验，任务完成后载人飞船或货运飞船分离，“天宫”号空间实验室继续飞行至寿命末期离轨。

“天宫”号空间实验室

“天宫”1号目标飞行器的主要任务是作为目标飞行器与“神舟”号载人飞船在轨交会对接，突破和掌握交会对接技术，初步建立能够短期载人、长期无人独立可靠运行的空间实验平台，开展空间应用、空间科学实验、航天医学实验和空间站技术试验，为建造空间站积累经验。“天宫”1号目标飞行器于2011年9月29日发射入轨， 2011年11月3日配合“神舟”8号载人飞船成功完成首次无人状态下的交会对接，标志着中国成为世界上第三个自主掌握空间交会对接技术的国家。2012年6月18日与“神舟”9号载人飞船完成首次载人交会对接，中国航天员景海鹏、刘旺、刘洋（女）首次进入“天宫”1号目标飞行器并驻留11天。2013年6月13日与“神舟”10号载人飞船完成交会对接，中国航天员聂海胜、张晓光、王亚平（女）进入“天宫”1号目标飞行器并驻留13天，其间由王亚平作为主讲完成了面向中国青少年的首次实时太空授课。2016年3月，在超期服役两年半以后，中国载人航天办公室宣布“天宫”1号正式终止数据服务。2018年4月2日“天宫”1号目标飞行器再入大气层，陨落于南太平洋中部区域。

“天宫”1号目标飞行器

“天宫”2号空间实验室在“天宫”1号目标飞行器的基础上改进研制而成，主要任务是突破和验证推进剂补加技术，以及航天员中期驻留技术；接受载人飞船和货运飞船访问，开展空间科学与应用技术试验、航天医学实验和空间站相关技术试验。“天宫”2号空间实验室于2016年9月15日发射入轨，2016年10月19日与“神舟”11号载人飞船交会对接，中国航天员景海鹏、陈冬进入“天宫”2号空间实验室并驻留30天，其间成功实施了在轨维修试验、航天医学试验。2017年4月22日与“天舟”1号货运飞船交会对接，并共同实施了3次推进剂在轨补加试验，均获得成功，标志着中国成为世界上第二个自主掌握推进剂在轨补加技术的国家，为后续中国空间站建设提供了关键技术储备。2019年7月19日，在超期服役10个月后，“天宫”2号空间实验室按计划成功实施了受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。“天宫”2号空间实验室的成功标志着中国载人航天工程正式进入第三步，即中国空间站建设阶段。