天宫一号在轨飞行期间，将分别与神舟八号、神舟九号和神舟十号飞船进行交会对接，形成刚性连接的组合体。
组合体飞行任务结束后，天宫一号与飞船分离。待飞船返回后，天宫一号升轨到高度约370千米的近圆轨道，转入长期在轨运行管理模式，开展空间科学与技术实验，并等待下次交会对接。
天宫一号目标飞行器寿命末期，主动离轨，陨落南太平洋。
开展三项应用试验
环境监测实验将有利于解决食品安全问题
1. 地球环境监测方面安排有高光谱成像仪应用试验。通过中国自主研制的高光谱成像仪，获取地球不同区域的高光谱遥感数据，其具有波段多、波段宽度窄、光谱分辨率高、数据量大、信息冗余、“图谱合一”等特点。高光谱遥感可广泛应用于地质矿产、植被生态、大气科学、海洋、农业等领域，对解决百姓关心的食品安全问题也能发挥作用。
2. 空间材料科学实验方面安排有复合胶体晶体生长实验。该实验针对当前国际上凝聚态物理和应用研究的热点，开展复合胶体晶体生长实验。其首次使用柯赛尔(Kossel)线衍射方法，利用空间微重力环境条件，研究三种不同分散体系胶体晶体的相变动力学过程。同时，实验以“遥影像”的方式，直接获取科学实验信息、数据，减少了回收过程对实验条件的影响。
3. 空间环境探测方面安排有带电粒子、大气成分、大气密度和电离层扰动探测试验。将为中国载人航天工程提供长期的、更宽业务范围的空间环境安全保障支持。
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