中国科学院空间应用工程与技术中心承担应用任务规划，工程组织管理，系统设计、集成、测试、有效载荷运行控制、科学及应用数据服务等总体技术支持支撑和保障。
在保证“天宫二号”科学和应用载荷等多个系统平稳运行之外，中科院多家单位分别负责研发的实验载荷将在空间实验室中大显身手，它们有的是在探索宇宙最深处的奥秘，有的是帮助人们更好的认识地球、海洋和大气，有的是在解决将来在星际旅行时食物的问题…下面我们就走进这个在我们头顶400公里的空间实验室里一探究竟吧！
量天尺 中科院上海光机所研制的“空间冷原子钟”搭载“天宫二号”发射升空，将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”,同时也是目前在空间运行的最高精度的原子钟。
“空间冷原子钟”将激光冷却技术和空间微重力环境结合，有望实现10^-16量级的超高精度（约3000万年误差1秒），将目前人类在太空中的时间计量精度提高1~2个数量级。
百变金刚 开展大Prandtl数液桥热毛细对流稳定性相关问题的研究，研究在空间微重力环境下热毛细对流的失稳机理问题，拓展流体力学的认知领域，取得具有国际先进水平的研究成果。突破并掌握微重力环境下的液桥建桥、液面保持和失稳重建等空间实验关键技术，进一步提升我国微重力流体科学的空间实验能力和技术水平。
系列英雄材料 该平台此次的任务时研究半导体光电子材料、金属合金及亚稳材料、纳米以及复合材料等制备基理，揭示在地面重力环境下难以获知的材料物理化学过程的规律。预期可获得高质量的空间材料样品，作为模型材料的结构、功能、工艺参数等方面获得有价值的科学研究成果。
天宫之炉，如你所愿 即将上天的这个炉子就是工程人员历经三年多的攻关，专门研制的一套综合材料实验装置（简称“实验装置”）。
这套实验装置由“材料实验炉”（简称“炉子”）、“材料电控箱”和“材料样品工具袋”三个单机构成。整个装置共约27.6kg重，最大功耗不到200W（而一般电水壶的功率也要1000～1800W），相当于2个100W白炽灯，却能实现真空环境下最高950℃的炉膛温度，是不是令人惊叹？
海之情 “天宫二号”三维成像微波高度计是国际上第一次实现宽刈幅海面高度测量并能进行三维成像的微波高度计。它采用小角度、高精度干涉测量技术，能精确获得海面的干涉条纹信息，进而获得三维海面形态，再经过复杂的定标最终获得宽刈幅范围内的海平面高度测量。
天宫守护者 “天宫二号”伴随卫星是一颗微纳卫星，是“天宫二号”试验任务的一部分。伴随卫星由上海微小卫星工程中心研制，采用了小型化，轻量化，高功能密度的设计。“天宫二号”伴随卫星搭载多个试验载荷，并具备较强的变轨能力，具备了开展空间任务的灵活性与机动性。
“天宫二号”伴随卫星将在在轨任务期间开展对空间组合体的飞越观测等试验，为主航天器的技术试验提供支持，并拓展空间技术应用。
“天极”望远镜 “天极”望远镜是搭载在“天宫二号”空间实验室上的伽玛射线偏振探测仪，是中欧国际合作项目。
“天极”望远镜的主要科学目标是探测研究遥远宇宙中突然发生的伽玛射线暴现象，并在国际上首次对伽玛暴的偏振性质实现高精度、系统性地测量，从而深入地研究恒星演化、黑洞形成以及伽玛暴爆发的物理机制，为更好地理解极端天体物理环境下产生的这种宇宙中最剧烈的爆发现象做出重要贡献。
天之情与气之情 空间环境分系统(全称：空间环境监测及物理探测分系统)主要用于实时监测“天宫二号”轨道上的辐射环境和大气环境，实现舱外16个方向的电子、质子等带电粒子的强度和能谱监测，以及轨道大气密度、成分及其时空变化与空间环境污染效应监测等。
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