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9月15日（中秋节）22时04分，搭载着天宫二号空间实验室的长征二号F T2运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。约575秒后，天宫二号与火箭成功分离，进入预定轨道，发射取得圆满成功。
天宫二号空间实验室是在天宫一号目标飞行器备份产品的基础上改进研制而成，全长10.4米，最大直径3.35米，太阳翼展宽约18.4米，重8.6吨，采用实验舱和资源舱两舱构型，设计在轨寿命不小于2年，主要任务是接受载人飞船和货运飞船访问，开展空间科学实验和相关技术试验，验证空间站建造和运营相关关键技术。
按计划，天宫二号空间实验室发射升空后，将开展平台和空间应用载荷测试，并于神舟十一号飞船发射前，做好与神舟十一号飞船交会对接的准备。
中国航天科技集团公司第五研究院天宫二号总设计师朱枞鹏说，天宫二号空间实验室任务很多，包括接受载人飞船和货运飞船的访问，考核验证航天员中期驻留、推进剂补加等空间站工程相关关键技术，开展航天医学、空间科学实验和空间应用技术试验，在轨维修试验和空间站技术验证试验等。
“天宫二号发射成功，叩开了中国空间站时代的大门。”朱枞鹏说，天宫二号将为航天员提供更宜居的环境，特别是针对航天员要驻留30天这一实际，做了很多人性化改造。为航天员配备了笔记本电脑、平板电脑，用于学习、阅读、娱乐；航天员可以收看电视节目，与家人进行短信交流；为航天员配备了健身单车、跑步机；特制了一批太空食品，最大程度地考虑到了每名航天员的个人偏好；准备了特制的湿巾和刮胡刀，对集便袋进行了改进，使其气压低于舱内，防止气味扩散。
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