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天宫一号有实验舱和资源舱组成。

天宫一号主体为短粗的圆柱型，重约8吨，直径比神舟飞船更大，采用两舱构型，分别为实验舱和资源舱。实验舱由密封的前锥段、柱段和后锥段组成，前端安装一个对接机构，以及交会对接测量和通信设备，用于支持与飞船实现交会对接。资源舱为轨道机动提供动力，为飞行提供能源。

天宫一号飞行的主要任务是，为实施空间交会对接试验提供目标飞行器；初步建立长期无人在轨运行、短期有人照料的载人空间试验平台，为空间站研制积累经验；进行空间科学实验、航天医学实验和空间技术试验。