天宮二號，即天宮二號空間實驗室，是繼天宮一號後中國自主研發的第二個空間實驗室，也是中國第一個真正意義上的空間實驗室，將用於進一步驗證空間交會對接技術及進行一系列空間試驗。
天宮二號主要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，包括釋放伴飛小衛星，完成貨運飛船與天宮二號的對接。
天宮二號空間實驗室已於2016年9月15日22時04分09秒在酒泉衛星發射中心發射成功，將與神舟十一號飛船對接。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。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。
天宮二號是在天宮一號目標飛行器備份的基礎上，根據天宮二號的任務的需要改裝研製而成。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，是我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"計劃的組成部分。
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歷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。
"天宮一號"是空間實驗室的特例，主要為了完成交會對接任務，而"天宮二號"則完全是小型空間實驗室，科學家、航天員們將在裡面展開各種工作和試驗，"天宮二號"將解決一定規模、短期有人照料的空間應用問題，航天員在天宮二號上生活的時間將比在神舟九號、神舟十號生活的時間更長。
天宮二號，計劃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，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。[8] 空間站可以允許若干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"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。內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。其中，首次進入太空的空間冷原子鐘，可以將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。
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