银河“鹊桥会”
在轨飞行的航天器内独有的微重力环境，可以使人类从一个全新的视角来研究和分析许多实验现象。利用好这个环境，能够在太空医学、材料学、基础生物学、物理科学和太空制造等多方面取得突飞猛进的发展。载人飞船虽然能进行一些空间科学实验，但毕竟受任务时间所限，研究要想深入下去，就需要有一种能够长期进行实验的平台，这个平台就是轨道空间站。
轨道空间站容积大、寿命长，相当于太空中的“航空母舰”。由运载火箭发射入轨，靠飞船或航天飞机等天地往返系统运送航天员和补给物资。空间站有多个对接口，可同时与数个航天器对接组成大型轨道联合体，在太空长期驻留。通过空间站可以进一步研究地球环境和宇宙空间，开展一系列的太空实验，实现工业化生产，获取地球上很难或根本无法得到的产品。空间站上的航天员能够为其他航天器补充燃料，进行组装和维修，释放或回收其他航天器。空间站还能作为人类向深空探测的中转站，为实现载人登月、火星探测等发挥重要的作用……
1993年，美国、俄罗斯、欧洲航天局、日本、加拿大和巴西6个国家和地区组织的太空机构联合推进了一项宏大的航天合作计划—国际空间站。国际空间站的设计寿命为30年，组装工作于1998年正式开始。2000年7月26日，随着俄罗斯承制的“星辰号”服务舱与国际空间站对接，国际空间站成了有3个舱段的复合体。从此，这个重458吨、长108米的庞然大物，成为引领世界先进航天技术的标志。
20年以来，世界上共有16个国家或地区的航天组织参与到国际空间站的建设之中，中国也明确表达了合作意愿，但有的国家没有摆脱“冷战”思维，提出了一大堆苛刻的政治条件，这是中国所不能接受的。所以，中国的科学家最终未能进入这一俱乐部，国际空间站中始终没有中国人的一席之位。除了国际空间站，西方大国与中国在航天方面的合作，也仅仅停留在科学研究和学术交流层面，真正涉及核心技术，不仅没有合作的可能，而且还存在着严格的封锁。因此，中国要想建设空间站，从体系到技术、从宏观到微观，无一不需要通过白手起家和自主创新来实现。
载人航天工程开始启动的时候，第一、第二步发展战略目标都有具体的方案和时间进度，第三步只提出了建造空间站的最终目标，却没有相应的技术方案和进度计划。直到2007年1月，根据国务院和中央专委的安排，成立了载人空间站工程实施方案编制专家组，组长为王永志。
就在“退居二线”的王永志再次担纲重任，披挂上阵之时，国际航天领域的形势正在悄然发生着巨变。
2001年3月23日，盛极一时的“和平号”空间站在南太平洋上空坠毁，结束了俄罗斯在空间站领域的霸主地位，国际空间站从此成为唯一在轨长期运行的载人航天器。2006年，美国国家航空航天局发布“重返月球计划”，宣称将于2014年左右放弃国际空间站并在2020年前后“重返月球”。
国际航天界的风云变化，对我国正在进行的空间站论证工作影响很大。有些专家直截了当地提出：“美国都放弃了，我们建空间站还有必要吗？”也有专家从经济支撑方面提出看法：“国际空间站由16个国家联合建设，有财力和技术基础，花费了1000多亿美元，我国在经济上能支撑得了吗？”当时，有一半的专家都主张放弃空间站计划，剩下的专家虽然赞成建空间站，却认为只需要有一个小型的核心舱就够了。
专家们的意见大大出乎王永志的意料，他意识到建造空间站的事不能心急，就像当年启动载人航天工程一样，必须先进行深入论证，有理有据地阐明建造空间站的必要性，特别是可能性，才能为大家所接受。
2007年11月16日，中国运载火箭技术研究院在北京举行了一次纪念建院50周年的高峰论坛。王永志到会做了题为《中国载人航天工程可持续发展的研讨》的主题报告，他在报告中说：通过深入研究世界航天的技术发展历程可以发现，在载人航天领域能够凝聚16个国家共识的只有建造空间站。如果国际空间站2010年左右能够建成，并且再使用10年，那么从1971年苏联发射“礼炮一号”试验性空间站起，到2020年左右的50年间，唯一没有间断的载人航天活动就是空间站的建设和应用。由此可见，空间站的重大实用价值是世界公认的。在国际合作方面，我们是愿意合作，但西方特别是美国不让我们参加，我们只能自己干。只上一个核心舱，实验能力仅有1.5吨，效益太差。但如果把空间站规模定位在3个基本舱段构成的小型组合体，则可以提供17吨的有效载荷实验能力。再加上研制大的货运飞船减少运输次数，通过控制规模和技术创新，空间站我们也是建设和运营得起的……
王永志的这个报告等于是对前一段专家们质疑的回答，得到了任新民、庄逢甘、屠善澄、陆元九和梁思礼等老一代科学家的认同。后来，专家们逐渐达成了共识：建造空间站符合载人航天的发展规律，适合我国航天技术的发展需要。独立自主搞载人航天事业，建立自己的空间实验室，乃至长期有人照料的空间站，是中国航天必须走出的一步。
思想统一了，论证工作得以顺利展开，一套早就在构思的方案在王永志的脑海里变得愈加清晰起来。
在空间站的规模上，美、俄两国由于采取不同的战略方针，出现了两种截然相反的结果。美国采取的是跳跃式的发展方式，因为过于注重先进性而缺乏连续性和继承性，所以，只发射了一个空间站。而俄罗斯采取了积极稳妥、循序渐进的方式，最大限度地利用了成熟技术，独立发射了8个空间站。这9个空间站中，除了“和平号”之外，其余8个都是小型空间站。由此可见，建立小型空间站是发展空间站的首选。王永志和大部分专家都认为，我国也应采取循序渐进的方式，先发射一个8吨级的空间实验室，再建造20吨级的较大规模的空间站。
迈向空间站时代，犹如行走在荆棘丛生的坎坷之路上，面临着一系列的新挑战。从发射系统来讲，发射任务将从曾经的阶段性密集发射进入到常态化密集发射状态，是否能够应对这样高密度的发射，将进一步考验发射能力。从测控通信系统来讲，航天员在轨时间越长，不可预测的因素就越多，风险也随之加大。如何适应空间站在太空运行的新状态，对飞行管理控制提出了新的要求。对航天员系统来讲，长期和短期在轨工作有很大的区别。长期飞行的话，最好有一名医生可以快速处置小的疾病，更长远地看，还要建立天地协同的疾病诊断机制。这个目标，就连国际空间站也没有完全实现。
一年半时间过去了，在王永志的主持下，进行了三轮论证，初步确定了中国空间站应用发展的战略目标和技术路线，拿出了具体的实施方案报告，明确了建设程序，并给出了相应的经费预算。
空间站工程将按空间实验室和空间站两个阶段组织实施，先发射空间实验室，再陆续把核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ送入太空。其中，载人飞船和空间实验室用长征二号F火箭发射，货运飞船用新研制的长征七号火箭发射，空间站各舱段用新一代的大推力运载火箭长征五号发射。空间应用将以促进和引领国家先进科学技术的跨越发展为目标，涵盖空间天文、空间物理、空间生命及生物技术、空间微重力科学、航天医学、基础物理学以及地球系统科学等各个领域的数十个项目、数百项任务被列入计划当中。
2010年9月25日，中国的载人空间站建设正式立项。中央确定了载人航天工程的后续任务，也就是第二步第二阶段研制发射空间实验室任务，以及第三步建造空间站任务，其目标是：在2020年前后，建成和运营近地载人空间站，使我国成为独立掌握近地空间长期载人飞行技术，具备长期开展近地空间有人参与科学技术试验能力，能够综合开发利用太空资源的国家。
2013年10月31日，中国载人航天工程办公室发布了载人空间站整体名称及各舱段和货运飞船的名字。载人空间站命名为“天宫”；核心舱命名为“天和”；实验舱Ⅰ命名为“问天”；实验舱Ⅱ命名为“梦天”；货运飞船命名为“天舟”。
在通往空间站的迢迢征途上，突破交会对接技术是第一道必经的关卡。
在太空中，两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点，这样的轨道控制过程称作“轨道交会”；将两个航天器对接起来形成一个组合航天器的事件称作“空间对接”。“轨道交会”和“空间对接”合起来就称为“空间交会对接”。实现空间交会对接需要两个航天器：一个作为被动对接目标，称为“目标飞行器”；另一个作为主动追踪者，称为“追踪飞行器”。
在我国研制之前，世界上掌握这项技术的只有美国和俄罗斯。为了验证交会对接技术，美、俄在进行载人航天器交会对接之前，分别进行了3次飞船与飞船之间的对接，也就是说，发射了6艘飞船。中国没有走这样的路，而是采用了一种更为经济、高效的技术方案：发射一个目标飞行器，分别与3艘飞船进行对接。这种方式减少了2次发射，大大降低了成本，而且可以提前验证建设空间站的重要技术。
天宫一号作为我国自主研制的第一个目标飞行器，要实现长期在轨飞行、完成多次交会对接，不仅是载人航天新的里程碑，更是我国建造空间站的基础。空间实验室之所以被命名为“天宫”，既是为了与“神舟”飞船、“嫦娥”卫星的名字相呼应，也是中国传统文化中对未知太空的一种通俗叫法。因此，得到了航天界和全国人民的一致认可。
“天宫”的研制任务再一次落在了中国空间技术研究院和上海航天局肩上，曾经研制“神舟”飞船的团队承担起这一历史重任，曾经是载人飞船副总设计师的青年专家杨宏被任命为空间实验室系统的总设计师。
没有成熟的经验可借鉴，没有充分的数据可参考，无法完全模拟太空的真实环境，研制难度不言而喻。设计初期，研制人员以神舟飞船的技术状态为基线，根据新的任务特点和要求，不断改进设计，关注细节，创新、优化、完善了系统功能，先后攻克了一系列技术难题，拿下了具有自主知识产权的核心技术。
天宫一号主体为短粗的圆柱形，采用由实验舱和资源舱组成的两舱构型，全长10.4米，舱体最大直径为3.35米。资源舱的任务是提供能源保障，为轨道机动发动机提供动力，并控制飞行姿态。实验舱是飞行器运行的核心舱，分为前锥段、圆柱段和后锥段，交会对接完成后，航天员进入全密封的前锥段和圆柱段进行工作和生活。实验舱的后锥段是非密封的，主要安装再生式环境控制与生命保障设备，前端安装有对接机构以及测量通信设备，用于支持与飞船实现交会对接。
与天宫一号首次对接的是神舟八号飞船。神舟八号的对接机构叫作“内翻式异体同构周边”对接机构，是世界上口径最大、技术最先进的一种对接机构。除此之外，飞船系统还开发了一套在交会对接过程中使用的高精度测量系统，由交会对接雷达、CCD光学成像敏感器、电视摄像机等构成，各个距离段上的测量都由测量设备来进行支持，可以测量与目标飞行器的相对位置和相对状态。当二者在地面测控人员的操控下接近到几千米以内时，精确测控就要依靠这些复杂的综合测量系统了，它们可以让误差不超过2厘米。
天宫一号研制出来后，无论是体积还是体重，都比“神舟”飞船大，对火箭来说，需要的推力也要大许多。此时，距离研制“神舟”飞船已经过去了十几年。这十几年，中国经济飞速发展，电子产品更新换代，火箭上的相关电子产品也发生了突飞猛进的变化。一切都说明，对火箭的改进迫在眉睫。火箭系统总设计师荆木春在长征二号F火箭的基础上，经过170多项改进，在保持芯级和助推器形状不变的情况下，改变了助推器内部结构，使得新研制的火箭比长征二号F能多装载20多吨推进剂，满足了天宫一号的发射需求。这枚新火箭被命名为长征二号FT1。
神舟八号飞船结构示意图
与此同时，值得一提的还有正在研制的长征五号运载火箭，这是我国的第一枚大型运载火箭，由于体积庞大，人们都亲切地管它叫“胖五”。作为这枚火箭的总设计师，李东用一个“大”字来概括长征五号：“长征五号有68米高，900吨重，大的发动机、大的结构、大的电气系统、大的地面支持系统，单台推力达到了120吨，泵出压力最高达到50个兆帕，可以把黄浦江的水直接打到青藏高原上去。长征五号的芯级采用大的氢氧发动机，液态的氢和液态的氧，是人类现在已知的能量水平最高的火箭推进器。”
交会对接任务的来临，对测控通信提出了更高的要求，4船9站3中心的测控布局已经不能满足需求了。测控通信系统开始重新规划系统布局图。首先对已经使用了十几年的S波段统一测控通信系统进行了更新换代，然后对各中心进行升级改造，架构了基于IP网络的一体化试验信息系统。过去十几年间，“远望四号”、“远望一号”和“远望二号”相继退役，新入列的“远望五号”和“远望六号”虽已经形成远洋测控能力，但船的数量却减少了，加上还在服役的“远望三号”，只有三艘船能够参加任务。于是，他们将这三艘船布设在了最为关键的海域；将交会对接的时间控制在国内各测控站可测控时间较长的测控弧段进行；在澳大利亚的当加拉，法国的奥赛盖尔、凯尔盖朗，巴西的阿尔坎特拉新建4座测控站。这样，3船16站3中心的庞大测控规模，加上两颗数据中继卫星的高速率数据传输的优势，使得测控通信的覆盖率超过了70%。
长征二号F遥九火箭结构示意图
天宫一号和神舟八号轨道示意图
2011年9月29日，天宫一号踏上征程。一个月后，11月1日，神舟八号踏上赴约之路，经过两天追逐和5次变轨，到达了天宫一号的运行轨道。此前，天宫一号已经从350千米的近圆轨道降低到约343千米的轨道面上，并翻转180度，将安装着对接机构的一头朝向神舟八号的方向。当神舟八号飞行到距离天宫一号后下方52千米处时，地面导引段结束，进入自主导引阶段。为了准确判断两个飞行器的运行状况，测控系统安排了4次观察和试探，设计了5千米、400米、140米和30米4个停泊点。11月3日凌晨，经历了4次停泊后，两个航天器到达东风测控站上空时，茫茫太空中上演了这样的浪漫一幕：神舟八号以0.2米每秒的速度“轻吻”天宫一号。1时35分，12把对接锁准确启动，上千个齿轮和轴承同步工作，天宫一号与神舟八号成功对接，两个紧紧相连的航天器以优美的姿态开始了为期14天的组合飞行。
11月15日，神舟八号飞船离开天宫一号，于11月17日返回地球。天宫一号继续升高到370千米的运行轨道上，等待与神舟九号和神舟十号的太空约会。