北京時間9月20日22時08分，天舟三號貨運飛船采用自主快速交會對接模式成功對接于空間站天和核心艙后向端口，整個過程歷時約6.5小時。

天舟三號任務是空間站關鍵技術驗證及建造階段的第二次貨物運輸應用性飛行。飛船為滿載狀態，裝載了可支持3名航天員6個月的生活物資、艙外航天服及出艙消耗品、空間站平臺物資、部分載荷和推進劑等，與天和核心艙及天舟二號組合體完成交會對接后，轉入三艙（船）組合體飛行狀態。

天舟三號貨運飛船總師助理方方在接受媒體采訪時介紹，由于神舟十三號乘組要在天上待六個月，它比天舟二號待的時間多了整整一倍，尤其是食品、水、生活用品等是天舟二號的3倍。這次天舟三號上行載貨的航天員生活物資超過了3噸。特別是，為神舟十三號乘組的女航天員準備了針對女性的服裝類、衛生用品、化妝品。

同時，天舟三號還攜帶了“金貴”的艙外航天服，為航天員提供太空中生存所需的供氧、調溫、輻射防護等，重達90多千克，價格也相當可觀。貨運飛船系統為了上行運輸這套“裝備”，專門設計了艙外服支架，保證其運輸過程中不會損壞“一針一線”。

此外，天舟三號還攜帶了補加推進劑等上行物資，在停靠期間還具備并網供電能力，可以為空間站提供供電支持。

天舟三號的成功發射完成了我國載人航天工程的第20次發射任務。9月20日15時10分，搭載天舟三號貨運飛船的長征七號遙四運載火箭，在我國文昌航天發射場點火發射，約597秒后，飛船與火箭成功分離，進入預定軌道，15時22分，飛船太陽能帆板順利展開且工作正常，發射取得圓滿成功。

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