天宫一号由实验舱和资源舱组成。天宫一号目标飞行器为全新研制，采用实验舱和资源舱两舱构型，全长10.4米，舱体最大直径3.35米，起飞质量8506千克，舱体最大直径达3.35米，设计在轨寿命2年。
实验舱主要负责航天员工作、训练及生活，为全密封环境，内设睡眠区，以及航天员保持骨骼强健的健身区。该舱由密封舱和非密封后锥段组成，最大直径3.35米，轴向长度6.4米，密封舱有效活动空间约15立方米，非密封后锥段安装遥感试验设备 。实验舱前端安装被动对接机构及交会对接测量合作目标，与飞船对接后，可形成直径0.8米的转移通道。
资源舱的主要任务是为天宫一号的飞行提供能源保障，并控制飞行姿态；主要为柱状非密封舱，配置推进系统、太阳电池翼等，为空间飞行提供动力和能源。舱体直径2.775米，轴向尺寸3.2米。电池翼展开后总长18.405米。
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