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天宫二号是我国第一个真正意义上的太空实验室，搭载了空间冷原子钟等14项应用载荷，以及失重心血管研究等航天医学实验设备，配备在轨维修技术验证装置、机械臂操作终端在轨维修试验设备，开展空间科学及技术试验。

“天宫一号”是空间实验室的特例，主要为了完成交会对接任务，而“天宫二号”则完全是小型空间实验室，科学家、航天员们将在里面展开各种工作和试验，“天宫二号”将解决一定规模、短期有人照料的空间应用问题，航天员在天宫二号上生活的时间将比在神舟九号、神舟十号生活的时间更长。

天宫二号上将开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验，是中国第一个真正意义上的空间实验室，发射时释放伴飞小卫星，将有飞船与之对接，将完成验证空间站的技术，也将接受航天员的访问。

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将来随着空间实验室体积的增大、可靠性的提高，将逐步发展成为空间站的核心舱或者实验舱，增加太空实验的项目和种类，为建成空间站奠定基础。

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空间站可以允许若干个宇航员同时长期驻守太空，吨位可重达20吨。发射这样重的物体需要使用重型火箭，由于使用的火箭直径较大，无法通过铁路运输，所以用海路运往海南航天发射中心发射。同时，海南航天发射场靠近赤道，有利于增强火箭的运载能力。

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天宫二号将搭载全球第一台冷原子钟进入太空，并进行相关实验。利用太空微重力条件，这台冷原子钟的稳定度将高达10的负16次方，可以将航天器自主守时精度提高两个数量级，能大幅提高如北斗卫星定位系统的导航精度。

试验从太空分发量子密钥。密钥分发是实现“无条件”安全的量子通信的关键步骤。天宫二号还将搭载中国科学院，瑞士保罗谢尔研究所，瑞士日内瓦大学联合研制的伽马暴探测设备，测量宇宙的伽马暴射线和散射状态，以黑洞等极端天体作为恒星和星系演化的探针，理解宇宙极端物理过程和规律，解答宇宙组成和演化。从而研究揭示宇宙结构、起源、演化等问题 。

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