本次展览分为「飞天梦圆」、「逐梦苍穹」和「再启新程」三部分，将展出最新入藏国家博物馆的「掌中苍穹」雕塑和大量航天文物，真实记录中国航天事业61年历程，向为航天事业作出贡献的航天人致敬。
「两弹一星」功勋王淦昌出席「八六三」计划工作会议时佩戴的代表证
第一部分 — 飞天梦圆
「两弹一星」：指核弹、 导弹和人造卫星，1964年至1970年，我国独立突破了「两弹一星」技术。
载人航天：中国载人航天工程启动于1992年，至今神舟号飞船已发射11次，中国航天员六度飞天，中国开始迈向空间站时代。
神舟号飞船模型
中国月球探测工程：又称 「嫦娥工程」，分为「无人月球探测」「载人登月」和「建立月球基地」三个阶段。
第二部分 — 逐梦苍穹
雕塑「掌中苍穹」上呈环形印制11位中国航天员的手模，以此向这些航天人致敬。
第三部分 — 再启新程
「中国航天日」：1970年4月24日，「东方红一号」人造地球卫星成功发射，2016年，国务院将这一天设立为「中国航天日」
中国航天事业持续稳步发展，预计2022年前后将建立空间站，完成中国载人航天工程「三步走」战略的最高目标，2020年左右发射首个火星探测器，2030年前实现载人登月计划。
2016年8月23日，国家国防科工局探月与航天工程中心发布的火星探测器外观设计构型图
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