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天宫一号主要任务是：

1、天宫一号作为交会对接目标，与神舟八号、神舟九号以及神舟十号配合完成空间交会对接飞行试验。

2、保障航天员在轨短期驻留期间的生活和工作，保证航天员安全。

3、开展空间应用、空间科学实验、航天医学实验以及空间站技术实验。

4、初步建立短期载人、长期无人独立可靠运行的空间实验平台，为建造空间站积累经验。

任务运行：

2009年1月25日，天宫一号模型在2009年的春节联欢晚会上展示亮相，介绍中国空间站未来任务及内容。

2010年5月14日，中国载人航天工程第十八次大总体协调会在北京召开，会议讨论确定了交会对接飞行任务规划、天宫一号及神舟八号飞行任务纲要，协调了各系统间重大技术问题。

2011年7月23日，天宫一号发射火箭长征二号F运载火箭运抵酒泉卫星发射中心。

2011年9月28日，天宫一号完成发射火箭长征二号FT1火箭的推进剂加注工作。

2011年9月29日，天宫一号发射升空，并进入预定轨道。

2011年9月30日，天宫一号完成首次变轨任务，升至更高的运行轨道。

2011年11月3日，天宫一号与神舟八号完成中国首次空间飞行器自动交会对接任务，并进行了二次自动交会对接，形成组合体。

2011年11月4日，天宫一号与神舟八号组合体完成第一次轨道维持工作。

2011年11月13日，神舟八号与天宫一号组合体在距地面高度约343千米的近圆轨道上偏航180度，建立倒飞姿态。

2011年11月14日，天宫一号与神舟八号组合体完成第二次对接试验工作。

2011年11月15日，天宫一号与神舟八号组合体完成了最后一次轨道维持工作。

2011年11月17日，天宫一号与神舟八号组合体进行解体工作，天宫一号转入长期运行管理模式，完成对接任务。

2012年6月18日，天宫一号与神舟九号完成自动交会对接工作，建立刚性连接，形成组合体。

2012年6月19日，天宫一号与神舟九号组合体完成组合体交会对接后的第一次轨道维持。

2012年6月21日，天宫一号与神舟九号组合体在太空中完成了第一次姿态调整，从交会对接的倒飞状态进入正常飞行姿态，形成天宫在后正飞，飞船在前倒飞的组合体标准飞行模式。

2012年6月22日，天宫一号与神舟九号组合体正常飞行状态下，航天员在空间实施对飞行器的姿态控制，完成手动姿态控制试验，同时完成轨道数据更新、飞行程序注入等工作。

2012年6月27日，天宫一号与神舟九号组合体完成各项飞行控制工作，并进行天地通话工作。

2012年6月28日，天宫一号与神舟九号组合体分离，完成与神舟九号对接任务。

2013年6月13日，神舟十号与天宫一号实现自动交会对接，两飞行器建立刚性连接，形成组合体。航天员入驻天宫一号。

2013年6月25日，神舟十号与天宫一号组合体成功分离，飞船从天宫一号目标飞行器上方绕飞至其后方，并完成近距离交会。

2013年6月25日，神舟十号自动撤离天宫一号，完成对接任务。

2016年3月16日，天宫一号正式终止数据服务，全面完成了历史使命。

2018年4月2日，天宫一号再入大气层，再入落区位于南太平洋中部区域，绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁。