飞船发射入轨后，按预定程序完成与目标飞行器自动交会对接，此过程同天宫一号与神舟八号交会对接基本一致。神舟九号与天宫一号自动对接形成组合体。航天员在地面指挥与支持下，完成组合体状态设置与检查，依次打开各舱段舱门，通过对接通道进入天宫一号实验舱。组合体飞行期间，由目标飞行器负责飞行控制，飞船处于停靠状态。3名航天员在飞船轨道舱内就餐，在天宫一号内进行科学实验、技术试验、锻炼和休息。

航天员手控交会对接的主要过程是：3名航天员返回飞船，依次关闭各舱段舱门。飞船自主撤离至距目标飞行器约400米处，然后自主控制接近目标飞行器，在140米处停泊，转由航天员手动控制。航天员通过操作姿态和平移控制手柄，瞄准目标飞行器十字靶标，控制飞船逐步接近目标飞行器，至对接机构接触，完成手控交会对接。3名航天员再次进入天宫一号驻留。

飞船返回前，3名航天员返回飞船返回舱。两飞行器分离，航天员手动控制飞船撤离至140米处，飞船转为自主控制，继续撤离至5公里外安全距离。之后，飞船返回着陆场，地面人员及时完成航天员搜救和返回舱回收;目标飞行器变轨至370千米自主飞行轨道，转入长期在轨运行。

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