主要任务
天宫三号空间实验室将主要用于验证再生生保技术，同时还将使用货运飞船进行在轨补给燃料试验，延长天宫三号空间实验室的寿命。突破再生生保长时间运行的关键技术，外加轨道寿命的延长，航天员在天宫三号将验证中期在轨驻留能力，开展更多的空间应用和科学试验，尤其是航天医学实验，研究失重对于人体生理系统的影响。
货运飞船对接
天宫三号将2017-2019年左右发射，天宫三号空间实验室将主要验证再生生保关键技术、航天员中期在轨驻留、飞行器长期在轨自主飞行和货运飞船在轨试验等技术，还将开展部分空间科学和航天医学试验。天宫三号空间实验室很可能具备两个对接装置，它在轨飞行期间总计与两艘载人神舟飞船和一艘货运飞船对接。货运飞船将输送补给，并为天宫三号提升轨道，它以天宫一号为平台改进而来，总质量13吨，上行运货能力不大于5.5吨，货运能力两倍于俄罗斯现有的进步号货运飞船，但略小于日本的HTV和欧洲的ATV飞船。
中国的天舟货运飞船，充分继承神舟飞船和天宫一号目标飞行器已有技术，降低了研发成本，除能完成国际主流货运飞船所承担的货运任务——为空间站补给物资，包括推进剂、航天员生活消耗品、空间科研设施设备、空间站维修备品备份，下行销毁各种废弃物质等外，天舟货运飞船还要承担空间站建造的任务，具有向空间站运送舱外较大设施设备的能力。发射天舟货运飞船的，是拥有13吨以上运载能力的长征七号运载火箭。“这是中国采用新一代发动机的中型的长征七号运载火箭，将采用无害推进剂，并将大大提升运载能力”。
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对于空间实验室任务，朱枞鹏表示，“原先规划是要发射‘天宫二号’和‘天宫三号’两艘空间实验室的，后来为了加快工程步伐，减少经费，经过可行性研究，将‘天宫二号’和‘天宫三号’的任务合并到一起完成。在建造空间站之前，就发射一个空间实验室。”
