2020年12月，问天实验舱完成初样研制转入正样研制阶段。随后在天和核心舱出厂前和问天实验舱出厂前各开展了一次三舱联试试验。

2021年5月18日，据中国载人航天办公室介绍，将在两年时间内建成以核心舱为控制中心，问天实验舱为主要实验平台，常年有人照料的空间站。5月29日，执行问天实验舱发射任务的长征五号B遥三运载火箭已完成出厂前所有研制工作，于当日安全运抵文昌航天发射场。

2022年7月4日下午，北京航天飞行控制中心对空间站组合体发出调相指令，轨道控制完成后空间站组合体将做好迎接问天实验舱发射对接准备，中国空间站首次在有人的状态下迎接航天器来访。

2022年7月18日，问天实验舱与长征五号B遥三运载火箭组合体已转运至发射区。7月22日，中国空间站问天实验舱任务组织发射前系统间全区合练。

2022年7月24日，长征五号B遥三运载火箭已完成推进剂加注。

问天实验舱包括工作舱、气闸舱、资源舱三部分，舱体轴向长度为17.9米，舱体最大直径4.2米，舱外配置小机械臂。在气闸舱和资源舱外布设舱外实验平台，用于安装舱外实（试）验载荷。尾部采用桁架结构，安装双自由度太阳池翼及其驱动机构。

问天实验舱配置了与核心舱一样的航天员生活设施，舱内包括3个睡眠区、1个卫生区和厨房等设施，可以保障航天员生活。它还可以与核心舱一起来支持两艘载人飞船轮换期间6名航天员的生活；同时，舱外配置了一个小型的机械臂，既可以单独使用，也可以跟核心舱的大机械臂组合使用，共同完成航天员的出舱、舱外设施照料、巡检等任务；另外，在问天实验舱还配置了航天员出舱气闸舱，空间站建成以后，问天实验舱的气闸舱将作为航天员主用的出舱活动气闸舱，以便核心舱的节点舱用于其他功能，只是作为备份；问天实验舱还具备核心舱对于组合体管理控制功能的备份舱段。即当天和核心舱平台的功能出现故障的时候，可以切换至问天实验舱行使组合体控制和管理功能，从而可以整体上提高中国空间站的可靠性。

问天实验舱轴向全长17.9米（相当于6层楼房高度），这一长度超越了国际空间站的任意舱段，比之天和一号核心舱16.6米的轴向长度还要长1.3米，该舱段与梦天实验舱同为当今世界轴向长度最长的单体载人航天器。

问天实验舱末端短桁架是一个非常巧妙的设计，它与国际空间站桁架用于太阳翼安装目的相同，同时利用问天舱与梦天舱对置布局形成的近40米横向跨度，起到类似国际空间站桁架结构的作用，使得太阳翼有效化解了相互遮挡的难题。短桁架末端还可以用于核心舱太阳翼的转位安装，从而最大限度提高天宫空间站太阳翼整体受晒率，进而提高空间站整站三舱的发供电能力。

问天实验舱发射采用的长征五号B遥三运载火箭，是在长征五号基础上，为满足中国载人空间站工程需求，即发射空间站天和核心舱和两个实验舱，按“通用化、系列化、组合化”设计思想研制的一款新型大型运载火箭。火箭全长约53.7米，构型上采用一级半构型，由直径5米的芯一级+4个直径3.35米的助推器+舱罩组合体组成，其采用的少级数设计理念和箭地接口的零秒连接器等技术，有效提升了火箭的固有可靠性和安全性；长征五号B火箭整流罩长20.5米、直径5.2米，是中国现役有效载荷容积最大的火箭整流罩，能更好地满足空间站舱段发射任务需要；该火箭采用无毒无污染的液氧、液氢和煤油作为推进剂，起飞重量约849吨，近地轨道运载能力大于22吨，是中国现役近地轨道运载能力最大的运载火箭。

问天实验舱发射任务也是长五系列火箭首次执行零窗口发射，对于中国大型低温火箭而言，执行分秒必争的发射任务面临着诸多困难。零窗口发射任务要求长五B火箭必须在规定时间里分秒不差地发射，否则将无法把问天实验舱送达指定位置，进而需要耗费巨大代价调整轨道，甚至导致发射终止。针对本次发射任务“零窗口”的挑战，海南文昌发射场优化了发射前10分钟的准备流程。发射场系统认真修编紧急关机、推迟发射、推进剂泄回等发射前关键预案，细化落实阵地级、系统级、岗位级共一千余项预案，以支撑发射前的科学决策，实现准时发射、安全发射、成功发射。

而为了确保万无一失，长五B火箭试验队创新性的设计了一种“起飞时间修正技术”。该技术可以让火箭的控制系统自动计算偏差、调整目标轨道，即便火箭没能完全按照预定时间发射，在预定发射时间后的2分30秒内进行发射，火箭都能通过后期的轨道修正精准完成入轨和交会对接。这相当于用技术创新将发射窗口从“0”扩宽至“2分30秒”。

北京时间2022年7月24日14时22分，搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭，在中国文昌航天发射场点火发射，发射取得圆满成功。

这是中国载人航天工程立项实施以来的第24次飞行任务。

后续，问天实验舱将按照预定程序与空间站组合体进行交会对接，神舟十四号航天员乘组将进入问天实验舱开展工作。在轨2个月后，问天实验舱将实施转位，与天和核心舱形成“L”构型，静待梦天实验舱的到来。

执行此次发射任务的运载火箭及问天实验舱，分别由中国航天科技集团有限公司所属的中国运载火箭技术研究院和中国空间技术研究院抓总研制。

北京时间2022年7月25日3时13分，问天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口，整个交会对接过程历时约13小时。

2022年7月25日10时03分，神舟十四号航天员乘组成功开启问天实验舱舱门，顺利进入问天实验舱。

2022年8月2日消息，随问天实验舱上行的小机械臂成功完成一系列在轨功能、性能测试，各项指标均表现优异，达到了预期效果。

截至2022年8月16日，神舟十四号航天员乘组已经完成了在轨科学实验机柜解锁与安装、问天舱内生活区设置等工作。此外，航天员的出舱主通道——问天实验舱气闸舱也首次亮相。

2022年8月，神舟十四号航天员乘组完成问天实验舱内“环控生保系统”在轨组装设备的安装和测试工作。

2022年9月1日，神舟十四号航天员乘组进行首次出舱活动，18时26分，航天员陈冬打开问天实验舱气闸舱舱门。后续，陈冬、刘洋在舱外作业，蔡旭哲在核心舱内配合支持，共同完成问天实验舱扩展泵组安装、问天实验舱全景相机抬升等各项既定任务。

北京时间2022年9月2日0时33分，经过约6小时的出舱活动，神舟十四号航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲密切协同，完成出舱活动期间全部既定任务，陈冬、刘洋已安全返回问天实验舱，出舱活动取得圆满成功。此次是航天员首次从问天实验舱气闸舱出舱、由小机械臂辅助实施的出舱活动。航天员出舱活动期间，天地间周密协同、舱内外密切配合，先后完成了问天舱扩展泵组安装、问天舱全景相机抬升、舱外自主应急返回验证等任务，全过程顺利圆满，检验了航天员与小机械臂协同工作的能力，验证了问天实验舱气闸舱和出舱活动相关支持设备的功能性能。

2022年9月17日13时35分，航天员蔡旭哲成功开启问天实验舱气闸舱出舱舱门，实施神舟十四号乘组第二次出舱活动。本次出舱活动有两个“首次”，分别是首次安装问天气闸舱舱外助力手柄，以及首次进行舱外救援验证。

北京时间2022年9月17日13时35分，航天员蔡旭哲成功开启问天实验舱气闸舱出舱舱门。至15时33分，航天员蔡旭哲、航天员陈冬先后成功出舱。两名出舱航天员已完成安装脚限位器和舱外工作台等工作，后续将在小机械臂的支持下，相互配合开展舱外助力手柄安装、载荷回路扩展泵组安装、舱外救援验证等作业。航天员刘洋在核心舱内配合支持两名出舱航天员开展舱外操作。这是航天员蔡旭哲首次执行出舱活动任务。

北京时间2022年9月17日17时47分，经过约5小时的出舱活动，神舟十四号航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲密切协同，完成出舱活动期间全部既定任务，航天员陈冬、航天员蔡旭哲已安全返回问天实验舱，出舱活动取得成功。

北京时间2022年9月30日12时44分，经过约1小时的天地协同，问天实验舱完成转位。转位期间，问天实验舱首先完成相关状态设置，而后与天和核心舱分离，之后采用平面转位方式完成转位，并与节点舱侧向端口再对接。

2022年10月12日，“天宫课堂”第三课在中国空间站开讲，神舟十四号飞行乘组3名新晋“太空教师”为广大青少年带来一场精彩的太空科普课，这是航天员首次在问天实验舱内进行授课。

2022年11月3日，随着空间站梦天实验舱顺利完成转位，由航天科技集团五院（以下简称五院）抓总研制的中国空间站天和核心舱、问天实验舱与其相拥形成T字基本构型。

中国空间站未来将形成“三舱三船”构型，其中的“三舱”包括：天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱。

2023年3月2日消息，近日，神舟十五号飞行乘组进行了第二次出舱活动。在地面工作人员和舱内航天员邓清明的密切配合下，两名出舱航天员费俊龙、张陆圆满完成全部既定工作任务，安全返回问天实验舱。“圆梦乘组”入驻空间站三个月来，先后进行了2次出舱活动，开展了持续的载人环境维护照料，完成了问天实验舱和梦天实验舱多个科学实验机柜组装测试，同时还配合完成了多次空间站货物出舱任务。

北京时间2023年7月20日21时40分，经过约8小时的出舱活动，神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮密切协同，在空间站机械臂支持下，圆满完成出舱活动全部既定任务，航天员景海鹏、朱杨柱已安全返回空间站问天实验舱，出舱活动取得圆满成功。航天员出舱活动期间，完成了核心舱全景相机B在轨支架安装及抬升、梦天舱全景相机A和B解锁及抬升等任务，全过程顺利圆满。四度飞天的航天员景海鹏从神舟七号时舱内配合到此次出舱活动，用15年的执着坚守圆了“太空漫步”的梦想；航天员朱杨柱成为我国首个出舱活动的航天飞行工程师。根据计划，后续，航天员乘组还将开展大量空间科学实（试）验，参与完成多次应用载荷出舱安装任务。

北京时间2024年5月28日18时58分，经过约8.5小时的出舱活动，神舟十八号乘组航天员叶光富、李聪、李广苏密切协同，在空间站机械臂和地面科研人员的配合支持下，完成了空间站空间碎片防护装置安装、舱外设备设施巡检等任务。航天员叶光富、李广苏已安全返回问天实验舱，出舱活动取得圆满成功。航天员叶光富再度漫步太空，航天员李广苏首次执行出舱活动任务。

问天实验舱主要任务是在轨完成与天和核心舱交会对接、舱段转位和停泊，并作为天和核心舱能源管理系统、信息管理系统、控制系统和载人环境系统等关键平台功能的备份，具备对中国空间站组合体进行统一管理与控制的能力，保障航天员在轨长期驻留，提供专用气闸舱和应急避难场所，保证航天员安全，为开展密封舱内和舱外空间科学实验和技术试验提供保障条件。

问天实验舱主要面向空间生命科学研究，配置了生命生态、生物技术和变重力科学等实验柜，能够支持开展多种类植物、动物、微生物等在空间条件下的响应机理研究，以及密闭生态系统的实验研究，可支持分子、细胞、组织、器官等多层次生物实验研究，并可开展不同重力条件下生物体生长机理的对比研究。

问天实验舱的任务以生命科学和生物技术研究为主，在空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、空间应用新技术试验等四个研究方向上规划部署了十余个研究主题，已立项四十余项科学项目，空间站建成后将持续论证、滚动实施相关科学试验项目。

为保证科学任务顺利开展，不断产出科学成果，空间应用系统在问天实验舱部署了生命生态实验柜、生物技术实验柜、科学手套箱与低温存储柜、变重力科学实验柜等科学实验设施，配置了舱内外应用任务共用支持设备，联合支持科学项目在轨全任务链实施。

2022年中国空间站将完成建造，成为国家太空实验室，将持续滚动开展大规模的空间科学实验与技术试验，有望在宇宙起源演化、物质本质规律、人类太空长期生存等重大前沿科学问题上取得重大发现和科学突破；预期突破和掌握高精度时频系统、太空智能制造、新一代信息、新材料制备等自主可控的关键核心技术，有力推动生物、能源、医药、材料、信息等产业发展，为解决国家重大战略需和经济社会发展做出独特贡献。

生命生态实验柜以多种类型的生物个体（如植物种子、幼苗、植株、兼顾小型动物）为实验样品，开展拟南芥、线虫、果蝇、斑马鱼等动植物的空间生长实验，揭示微重力对生物个体生长、发育、代谢的影响，促进人类对生命现象本质的理解，研究空间辐射生物学和亚磁生物学效应与机制，探索建立应用型受控生命生态系统，为航天员在轨辐射损伤评估、防护提供科学依据。截至12月2日，已收到空间站发回的微重力环境中生长的拟南芥图像。

生物技术实验柜以组织、细胞和生化分子等不同层次多类别生物样品为对象，开展细胞组织培养、空间蛋白质结晶与分析、蛋白与核酸共起源和空间生物力学等实验，探索微重力环境下细胞生长和分化规律和机制，为人类健康、生殖发育提供理论基础；探索重力效应对生命起源和进化影响；在高效蛋白质/多肽药物、纳米晶骨骼生物技术等方面取得突破性发现，对指导组织工程、生物医药的研究和应用发挥重要作用。

科学手套箱提供洁净密闭空间和温湿度环境控制，配置灵巧机械臂具备细胞级精细操作能力；手套箱为航天员操作多学科实验样品提供安全、高效支持。低温存储装置具有三个典型低温存储温区（-80℃、-20℃、+4℃），能够满足不同实验样品低温存储需求。

变重力科学实验柜为科学实验提供0.01g至2g高精度模拟重力环境，采用先进的无线传能和载波通信技术，支持开展微重力、模拟月球重力、火星重力等不同重力水平下的复杂流体物理、颗粒物质运动等科学研究。

在舱外空间应用系统部署了能量粒子探测器、等离子体原位成像探测器，用于获取空间质子、电子、中子、重离子和等离子体等环境要素数据，为航天员健康、空间站安全运营提供保障支持，并可用于空间环境基础研究。

问天实验舱配置了比天和核心舱更大的柔性太阳帆板，每天平均发电量超过430度，能够为空间站运行提供充足能源。空间站在轨建造完成后，核心舱的一个太阳帆板将转移至问天实验舱资源舱尾部，成为名副其实的“主发电站”。届时，问天实验舱的3条能源母线将发挥更大的作用，为组合体源源不断地供电送能。

“外方”

气闸舱外部看上去像方形的外壳，是舱外暴露实验平台，上面配置了22个标准载荷接口，其中一部分还配备了流体回路温度控制。

“内圆”

气闸舱内部圆柱状的部分，是航天员开展出舱活动时的“更衣间”——出舱气闸，航天员可在此换上“飞天战袍”进行舱外作业。与核心舱节点舱相比，气闸舱的空间更大，航天员在这里进行出舱准备和舱外返回时，可以更舒展、更从容，未来它将成为整个空间站系统的主要出舱通道。

此外，出舱气闸还有一个直径达1米的大门，使航天员不但进出方便，而且还能携带大个头的设备出舱工作，舱外工作能力大大提升。

作为空间站“明星”部件之一，相比于核心舱配备的大机械臂，小机械臂更加精巧，采用了7自由度对称构型，两端各有一个末端作用器；其臂长近6米，有效操作空间约5米，最大负载3吨；可单独使用，也可与大机械臂形成组合机械臂；支持航天员出舱活动、舱外状态检查、舱外货物转移及安装、舱外维护维修、载荷照料、光学设施维护等6项应用任务。

问天实验舱在正常情况下，并不采用天和核心舱的大机械臂，而是采用转位机构机械臂。转位机构的转臂（机械臂）安装在问天实验舱对接面附近，支座安装在核心舱节点舱两侧，二者通过锥形捕获机构连接。

转位前需要完成准备工作有两个步骤：首先位于问天实验舱的转位机构机械臂旋转并捕获核心舱上的支座，锁紧完成后两者建立刚性连接；第二步问天实验舱对接机构与核心舱节点舱前向口的对接机构解锁，实现两舱分离。

整个转位过程由位于问天实验舱的转位机构机械臂，以及位于核心舱节点舱的旋转支座共同完成，一共需要三次旋转。第一次：转位机构机械臂绕其根部向上旋转，带动问天实验舱转动至节点舱前向口斜上方；第二次：旋转支座绕其中心转动，带动问天实验舱转动至节点舱VI象限停泊口斜上方；第三次：转位机构机械臂绕其根部向下旋转，带动问天实验舱转动至VI象限停泊口附近。在确认位置误差满足要求后，问天实验舱对接机构推出，与节点舱VI象限停泊口完成对接并锁紧。之后，转位机构机械臂与旋转支座解锁、分离后复位。

2014年1月10日，中国“载人航天空间交会对接工程”被授予国家科技进步特等奖。

2022年5月30日，问天实验舱飞行任务标识发布。

2022年7月24日，为纪念中国空间站问天实验舱飞行任务，中国集邮有限公司特别发行《中国空间站问天实验舱发射成功纪念封》。

问天实验舱作为中国空间站的一个主舱段，是全世界现役在轨最重的单舱主动飞行器。

问天实验舱不仅体量大，在功能上也十分强大。问天实验舱与中国空间站天和核心舱互为备份，集平台功能与试验载荷功能于一体。不仅装载有8个实验机柜、22个舱外载荷适配器，相当于把一个大型科学实验室搬到了太空。还在舱内设有3个睡眠区和1个卫生区。在迎来问天实验舱之后，中国空间站“床位”数达到6个。这也为后续神舟十五号载人飞船发射后，神舟十四号、神舟十五号两个乘组、6名航天员实现“太空会师”，空间站“满客”运行创造了条件。（《人民日报》 评）