立項背景
中國天空號實驗室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
天宮二號空間實驗室“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。
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。
工程計畫
2016年第三季度，中國將擇機發射“天宮二號”空間實驗室。
2016年第四季度，發射神舟十一號飛船、天宮二號飛船，與之對接。
2016年中國計畫發射空間實驗室“天宮二號”，天宮二號發射將與神舟十一號交會對接，天宮二號入軌並完成在軌測試後，將與之後發射的神舟十一號完成交會對接。在天宮二號發射之前，中國將在海南發射場發射新研製的長征七號運載火箭的試驗箭。此外，中國空間天文界還提出了“天體號脈”和“天體肖像”計畫。
2018年前後發射空間站核心艙進行試驗工作，2022年前後完成空間站建設工作。
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。
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。
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。
科研任務
空間實驗室天宮二號，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。
發射規劃
中國載人航天團隊成功發射天宮一號以來，天宮一號先後與神舟八號、九號和十號飛船完成6次自動和航天員手控空間交會對接。天宮一號已經在軌運行將近三年半時間，目前狀態良好，已圓滿超額完成了預定的全部任務。
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。
最新近展
實驗室工作人員按計畫將於2016年第三季度，擇機發射天宮二號空間實驗室；2016年第四季度，發射神舟十一號飛船，搭乘2名航天員，與天宮二號對接，進行人在太空中期駐留試驗；在此之前，還將在文昌發射場進行長征七號運載火箭首飛試驗，通過考核後將於2017年上半年，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。
中國航天員中心副總工程師黃偉芬此前曾表示，鑒於空間站任務對航天員的身心素質及專業知識要求更高，第三批航天員來源將會與前兩批有所不同。“從第三批開始我們將從跟載人航天工程相關的研製部門選拔工程師，加入到航天員的隊伍。”
長征七號是我國全新研製的運載火箭，是我國新一代中型運載火箭的基本型號。它具有一系列自主智慧財產權的核心技術，是我國首枚“數位化”火箭，從設計到生產，均採用全三維數字平台。
曾執行我國空間交會對接任務的天宮一號目標飛行器已在軌運行四年半，目前運行狀態良好、各類裝載設備功能正常，具備繼續在軌工作條件。
全國兩會上公布的“十三五”規劃綱要草案提出，將深空探測及空間飛行器在軌服務與維護系統作為“科技創新2030——重大項目”六大重大科技項目之一。全國政協委員、中國載人航天工程總設計師周建平8日接受專訪，披露了2020年前後建成的中國空間站和今明兩年將實施的天宮二號空間實驗室的任務。
