发射

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神舟九号于北京时间2012年6月16日18时37分24秒在甘肃酒泉卫星发射中心成功发射升空。

6月16日18时40分，箭一二级分离成功，一级坠落。此时，火箭已经飞过了平流层和中间层，正在接近大气层边缘。[12]18时49分，太阳帆板展开。[13]

变轨

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6月17日凌晨1点半，神舟九号飞船进行了首次变轨，神九的轨控发动机经过短暂开机，对神九的轨道进行调整。3名航天员在飞船的返回舱内实时监控了神九的变轨全过程，他们的服装从白色的航天员舱内压力服装改为蓝色的航天员舱内工作服。神舟九号原计划通过5次变轨来追赶天宫一号，[14]但实际上神舟九号4次变轨后，就进入了距地面高度约343公里的近圆轨道，与天宫一号处在相同轨道面的交会对接点上，因此变轨只进行了4次。[15]

首次交会对接

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首次交会对接原定于6月18日11时左右进行，[16]后推迟至当天14时许进行。[17]根据既定的飞行方案，飞船将在轨飞行十余天，与天宫一号目标飞行器进行两次交会对接，第一次为自动交会对接，第二次由航天员手动控制完成。

6月18日14时14分，在完成捕获、缓冲、拉近和锁紧程序后，神舟九号与天宫一号紧紧相牵，中国首次载人交会对接取得成功，[18]首位航天员于17时07分进入天宫一号。

第二次交会对接

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6月24日11 时12分，天宫一号与神舟九号组合体按照地面指令分离，神舟九号自动撤离至与天宫一号相对距离400米停泊点处。12时38分，航天员刘旺驾驶飞船，通过手柄控制飞船的姿态、速度和方向，使神舟九号从140米外向天宫一号缓缓接近，最终于北京时间6月24日12时55分成功与天宫一号对接，中国首次空间手控交会对接试验成功。[3]

天地通话

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6月26日上午10时许，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛来到北京航天飞行控制中心，同正在天宫一号开展科学实验的神舟九号航天员景海鹏、刘旺、刘洋通话，中共中央政治局常委贾庆林、李长春、习近平、李克强出席并见证此次通话。[19]

返回

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6月27日下午2点42分，在北京航天飞行控制中心的控制下，天宫一号与神舟九号组合体在太空中偏航180度，使其从交会对接的正飞状态进入倒飞状态，建立撤离姿态，为航天员手控撤离做好准备。[20]

6月28日6时许，三位航天员告别天宫一号目标飞行器，陆续回到神舟九号飞船，做好组合体分离前的各项准备工作。6时37分，指令长景海鹏最后一个离开天宫。挥手作别后，他回到神舟九号飞船轨道舱，关闭天宫一号实验舱舱门。9时22分，航天员刘旺手动控制神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器分离。组合体成功分离后，航天员继续手动控制飞船撤离至安全距离。[21]

6月29日10时03分，神舟九号返回舱在四子王旗着陆场成功着陆，返回舱落地时呈水平状态，三名航天员安全返回。中共中央政治局常委、国务院总理温家宝，中共中央政治局常委、中央纪委书记贺国强，中共中央政治局常委、中央政法委书记周永康在北京航天飞行控制中心观看飞船回收实况。温家宝总理宣读了中共中央、国务院、中央军委贺电。[22]

各个阶段

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神舟九号飞船返回地面，需要经历4个阶段：[23][24]

一是制动飞行阶段。飞船在太空中运行最后一圈时，地面测控部门向飞船发出返回指令，飞船随即调整姿态，发动机点火制动，进入返回轨道。此时，轨道舱和返回舱分离。

二是自由滑行阶段。飞船以无动力飛行状态自由下降。当飞船降至距离地面140公里处时，推进舱和返回舱分离，推进舱在穿越大气层時烧毀，返回舱则继续下降。

三是再入大气层阶段。飞船进入大气层时，飞船表面和大气层摩擦产生巨大热量，在飞船表面形成高温等离子气体层，并对电磁波造成屏蔽形成“黑障”，使飞船在240秒内与地面失去联系。直到距离地球约40公里处，黑障消失，地面测控部门重新与飞船取得联系。

四是着陆阶段。当返回舱距离地球約10公里时，傘舱盖打开，引导傘率先打开，其后減速傘、主傘等亦随之打开。在距离地面1.2米时，返回舱底部的4台反推发动机点火，使飞船以每秒1至2米的速度软着陆。