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2020年长征五号B运载火箭成功首飞，揭开了我国载人航天工程“三步走”第三步的序幕。第三步规划了关键技术验证和空间站建造两个阶段的任务目标。神舟十五号任务是空间站建设阶段的最后一次载人飞行任务。从“神十二”到“神十五”，4批12名航天员共同见证了中国空间站的成长，也不断刷新在轨驻留新纪录。

2021年4月29日上午，在我国文昌航天发射场，长征五号B遥二运载火箭成功将空间站首个舱段天和核心舱送入太空。2021年6月17日神舟十二号载人飞船采取自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱前向端口，神舟十二号飞行乘组聂海胜、刘伯明、汤洪波，成为首批入驻中国空间站的航天员。

打开舱门，极目宇宙，这是刘伯明出舱时发出的第一句感叹。7月4日，中国空间站建造阶段的首次出舱活动成功实施。神舟十二号任务为期三个月，突破了自主快速交会对接技术，由原来的两天缩短到6.5小时，航天员首次利用机械臂实施了舱外作业，首次在轨全面系统地验证了再生式环控生保技术，以保障航天员长期在轨驻留的生活和工作，首次进行了三个飞行器组合体飞行，首次在东风着陆场执行了航天员搜救回收任务等。这些突破，都为后续空间站建造及运营奠定了坚实基础。2021年9月17日，神舟十二号乘组告别空间站，踏上归程。

2021年10月16日，神舟十三号如约而至。航天员翟志刚、王亚平、叶光富也开启了为期6个月的太空生活，空间站迎来了首位女性航天员，神舟十三号乘组也刷新了中国航天员连续在轨飞行时长新纪录。

2021年12月9日，航天员王亚平再次以太空教师的身份带来了一堂生动的航天科普教育课。这也是中国空间站首次太空授课活动，在无数青少年心中深植下理想的种子。神舟十三号任务期间，空间站完成了我国首次利用机械臂操作大型在轨飞行器进行转位试验；首次利用手控遥操作设备，控制货运飞船与空间站进行交会对接；安装了大小机械臂双臂组合转接件及悬挂装置，为后续空间站的建设攻克了技术难关。2022年4月16日，在完成了两次出舱活动、两次“天宫课堂”太空授课，以及多项科学技术实（试）验等工作后，神舟十三号载人飞船首次采用“快速返回”方式，在东风着陆场成功着陆。至此，中国空间站关键技术验证阶段全部既定任务完成。

2022年6月5日，空间站迎来了神舟十四号陈冬、刘洋、蔡旭哲三名航天员入驻，这也是中国空间站建造阶段的第一次载人航天任务。

2022年9月30日，问天实验舱成功进行转位，空间站组合体由两舱“一”字构型转变为两舱“L”构型，这是我国首次利用转位机构在轨实施大体量舱段转位操作。2022年10月31日梦天实验舱成功发射，随后顺利完成转位，中国空间站“T”字基本构型完成。天舟五号货运飞船与空间站组合体首次实现了两小时自主快速交会对接，创造了世界纪录。

在轨期间，三名航天员三次出舱，成为目前为止出舱次数最多的飞行乘组，他们也因此被称为最忙乘组。

随着神舟十五号的到来，两批航天员齐聚，空间站也将迎来首次六位航天员在轨共同生活的历史时刻。