如果说天宫一号是为了解决交会对接问题而发射的一个目标飞行器，那么天宫二号则是中国第一个真正意义上的空间实验室，将开展14项科学研究实验。下面就介绍其中的一些实验。
　　1.空间冷原子钟
　　这是全球首台在轨运行的冷原子钟。目前投入应用的精度最高的冷原子钟是利用激光冷却和囚禁原子技术的（铯原子）喷泉钟，而空间冷原子钟借助太空微重力环境，把冷原子钟所能达到的精度又提高了一两个数量级，意味着这个钟在太空运行约3000万年才会产生1秒的误差。这将大幅提高我国“北斗”导航系统的定位精度，甚至可以达到厘米级的程度。
　　2.“天极”望远镜
　　天宫二号携带了全球首个高灵敏度伽马射线暴偏振探测仪——“天极”望远镜。此项目由中国和瑞士合作开展，是中国空间天文“黑洞探针”计划的组成部分。“天极”用1600个敏感元件，组合成如同昆虫“复眼”一般的探测器阵列，来观测伽马射线的偏振现象。当恒星演化到最后时刻以及两个黑洞或者中子星最后并合在一起的时候，会伴随强烈的伽马射线的爆发。这种爆发的能量要比超新星爆发的总能量还高成千上万倍，被认为是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆发现象。偏振信息是研究伽马暴现象的重要参考信息。
　　3.量子密钥分配
　　世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成，而为了实现更远距离的量子保密通信，除了继续建设地面光纤网络以外，还需要借助天上的多个飞行器，实现光纤无法覆盖区域的空-地间量子密钥分配。天宫二号上的“量子密钥分配”载荷就是以实现空-地间实用化的量子密钥分配为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成“天机不可泄露”的量子密钥。
　　4.热毛细对流实验
　　在流体的交界面上存在着分子与分子之间的相互作用力也就是表面张力。当流体交界面上的温度分布不均匀时，就会造成在不同的位置表面张力的大小不同，从而形成驱动流体流动的现象，即热毛细对流。热毛细对流现象在实际工业生产中有着广泛的应用，特别是高质量晶体生长过程。但科学家对热毛细流动的认知仍然十分有限，故有必要在太空完全失重的特殊条件下开展此项研究。
　　5.三维成像微波高度计
　　大海有多深，从太空测得更真。天宫二号搭载的三维成像微波高度计，能以几厘米到十几厘米的精度精确测量数十千米观测幅宽范围内的海平面高度，并且获得海面的三维形态。微波高度计实验的实施有望为研究全球的海洋动力环境提供直接的科学观测数据，同时也为全球能量交换、气候变化的研究提供不可或缺的科学依据。
　　6.宽波段成像光谱仪
　　它由8台分4层结构设计的小相机组成，包括3台可见光近红外波段相机，2台短波红外波段相机，2台热红外波段相机，1台可见光波段偏振相机。这些相机通过视场拼接组合在一起，不仅让相机“看”得更宽，还能同时获取同一目标的图像、光谱和偏振信息。有了它，天宫二号就如同拥有了“火眼金睛”，可以看海洋——观测海洋水色和水温；看大气——优化气象预报。
　　7.现代迷你太空温室
　　为了探索太空闭环生态系统技术，天宫二号将选取两种代表性植物——水稻和拟南芥进行“从种子到种子”的植物生长全周期实验。通过水分供给和光照、温度控制，来探索在太空环境中如何控制植物开花结种的技术与方法，为建立保障人类长期空间生存所必需的生命生态支持系统奠定基础。
　　8.综合材料实验
　　该实验平台将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，并有望获得高质量的空间材料样品。进行综合材料实验的主要装置是一个重约28千克的炉子，它能以不到200瓦的功率，实现真空环境下950℃的炉膛高温。
　　9.空间环境分系统
　　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。
　　10.伴随卫星
　　天宫二号在太空中有一个如影随形的守护神——伴随卫星，这颗微纳卫星搭载了高分辨率全画幅可见光相机，将会利用实时跟随的位置优势，为天宫二号在轨任务以及天宫二号与神舟11号组合体进行高分辨率成像。还可以作为主航天器的安全辅助工具，对主航天器进行工作状态监测、安全防卫，可以为航天员出舱活动及空间飞行器交会对接等提供直接的技术支持。
　　【责任编辑】庞 云