天文圓頂（astrodome），是為天文望遠(yuǎn)鏡的安裝與觀測(cè)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用屋頂結(jié)構(gòu)，通常作為天文臺(tái)的觀測(cè)室使用，其屋頂呈半圓球形。

世界發(fā)展歷程

17世紀(jì)：光學(xué)望遠(yuǎn)鏡問(wèn)世，但受限于技術(shù)，小型儀器可靈活搬進(jìn)搬出，而大型儀器則只能利用普通建筑的窗口進(jìn)行觀測(cè)，天區(qū)限制極大。

19世紀(jì)：真正意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)圓頂并配備可啟閉天窗的建筑物開(kāi)始出現(xiàn)，為天文觀測(cè)提供了更為專(zhuān)業(yè)的環(huán)境。

20世紀(jì)：隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)觀測(cè)室的要求也越來(lái)越高。例如，帕洛馬5m天文望遠(yuǎn)鏡的圓頂就特別注重?zé)嵝阅?，設(shè)計(jì)了雙層結(jié)構(gòu)的墻體和屋頂。同時(shí)，人們逐漸發(fā)現(xiàn)臺(tái)址上空大氣對(duì)星像質(zhì)量的影響與近地表的大氣湍流密切相關(guān)，開(kāi)始探討合理的圓頂高度及地表植被等問(wèn)題，并發(fā)現(xiàn)了與自然大氣視影有別的“圓頂視影”及其主要成因，對(duì)熱效應(yīng)及抽排風(fēng)的考慮越來(lái)越重視?？v觀全球口徑2m以上的30余架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，圓頂觀測(cè)室的造價(jià)均大致與望遠(yuǎn)鏡本身的造價(jià)相等。下一代望遠(yuǎn)鏡及其觀測(cè)室的形式也將會(huì)大加變革。

中國(guó)發(fā)展歷程

1949年以前：中國(guó)僅有的幾個(gè)天文臺(tái)建筑均較為簡(jiǎn)單，難以滿(mǎn)足高水平的天文觀測(cè)需求。

1968年：北京天文臺(tái)的興隆觀測(cè)站南北山梁上出現(xiàn)了5個(gè)圓頂，其中之一是內(nèi)裝60cm中間試驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡的圓頂，標(biāo)志著中國(guó)天文圓頂建設(shè)邁出了重要一步。

1973年：2.16m天文望遠(yuǎn)鏡的建造被提上日程，圓頂?shù)脑O(shè)計(jì)與建造也同期開(kāi)始考慮。

1974年10月-1975年7月：中國(guó)利用一架高出地面40m的鐵塔及自制的溫度脈動(dòng)儀，得出夜間近地面大氣湍流層的特征高度為35m，為圓頂設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

1977年及1978年：中國(guó)先后向北京天文臺(tái)提出了“2.16m天文望遠(yuǎn)鏡圓頂觀測(cè)室設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)”及其補(bǔ)充說(shuō)明。

1983年6月：經(jīng)過(guò)多方探討與協(xié)同工作，浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院建筑設(shè)計(jì)院、北京重型電機(jī)廠和北京天文臺(tái)的有關(guān)專(zhuān)家共同完成了圓頂觀測(cè)室的初步設(shè)計(jì)。

1986年7月：圓頂觀測(cè)室正式開(kāi)始施工，由江蘇南通第七建筑公司和江南造船廠分別承擔(dān)土建和圓頂鋼結(jié)構(gòu)及機(jī)械部分的施工工作。

1989年10月：圓頂觀測(cè)室全部建成交付使用，標(biāo)志著中國(guó)天文圓頂建設(shè)達(dá)到了新的水平。 

天窗設(shè)計(jì)

天文圓頂并非完全密閉，其半圓球上有一條寬寬的“裂縫”，從屋頂?shù)淖罡咛幰恢毖由斓轿蓍芴?，這道裂縫實(shí)際上是一個(gè)巨大的天窗。天文望遠(yuǎn)鏡就是通過(guò)這個(gè)天窗指向遼闊的天空，進(jìn)行天文觀測(cè)。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

在天文臺(tái)的圓頂和墻壁的接合部，裝置了由計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。當(dāng)人們使用天文望遠(yuǎn)鏡時(shí)，只需轉(zhuǎn)動(dòng)圓形屋頂，把天窗轉(zhuǎn)到要觀測(cè)的方向，望遠(yuǎn)鏡也隨之轉(zhuǎn)到同一方向，再上下調(diào)整天文望遠(yuǎn)鏡的鏡頭，就可以指向天空中的任何目標(biāo)，大大提高了觀測(cè)的便捷性。

外表設(shè)計(jì)

圓頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)應(yīng)力求平穩(wěn)，以減少對(duì)觀測(cè)的干擾。同時(shí)，圓頂?shù)幕A(chǔ)和地板應(yīng)同望遠(yuǎn)鏡基墩分開(kāi)，從而消除外界振動(dòng)的影響。圓頂外表面一般涂成白色，以便能夠反射掉大部分的太陽(yáng)輻射，降低圓頂內(nèi)部的溫度。

隔熱設(shè)施

為了減少室內(nèi)溫度變化對(duì)望遠(yuǎn)鏡的影響，圓頂還采取了一定的隔熱措施。圓頂?shù)母叨纫话愀鶕?jù)當(dāng)?shù)氐臏囟让}動(dòng)觀測(cè)來(lái)選定，圓頂直徑的大小一般按望遠(yuǎn)鏡口徑的10倍選?。ㄖ赋嗟朗窖b置的望遠(yuǎn)鏡）。

圓頂主動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)

大型望遠(yuǎn)鏡圓頂內(nèi)通常配備有主動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)，與制冷系統(tǒng)一起可在白天進(jìn)行制冷或換氣。夜間觀測(cè)時(shí)，若無(wú)自然通風(fēng)孔或外界自然風(fēng)較弱時(shí)，啟動(dòng)主動(dòng)排風(fēng)將圓頂內(nèi)的熱空氣排出，以改善觀測(cè)條件。例如，雙子座（Gemini）望遠(yuǎn)鏡就是一臺(tái)同時(shí)具有自然通風(fēng)孔和主動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡，圓頂外空氣由自然通風(fēng)孔和天窗進(jìn)入，主動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)位于地板下面，促進(jìn)空氣流動(dòng)，將圓頂內(nèi)空氣排出室外。

傳統(tǒng)形式圓頂

根據(jù)傳統(tǒng)的赤道式望遠(yuǎn)鏡回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，將天文圓頂設(shè)計(jì)成能包容該望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，并留有一定工作空間的金屬殼形結(jié)構(gòu)。一般下半部為圓柱形，上半部為半球冠狀，且開(kāi)有大于通光口徑的天窗。不工作時(shí)由風(fēng)屏遮擋封閉天窗，工作時(shí)打開(kāi)天窗，讓天體輻射進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡光路系統(tǒng)。隨著望遠(yuǎn)鏡跟蹤天體，圓頂也須隨動(dòng)，或隔一段時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證觀測(cè)進(jìn)行。中國(guó)的一些天文圓頂，包括2.16、1.56、1.2m紅外以及其它一些更小的望遠(yuǎn)鏡均采用這種結(jié)構(gòu)。例如，2.16m望遠(yuǎn)鏡的圓頂總高34.6m，外徑23.5m，下為圓柱體，上為半圓球冠，球冠上有一可上下移動(dòng)、開(kāi)啟和閉合的天窗，天窗凈寬5.2m，以供望遠(yuǎn)鏡觀察天體時(shí)用。其中活動(dòng)圓頂高15m、外徑也達(dá)23m，重250t，成本較高。1.56m望遠(yuǎn)鏡的圓頂外徑也達(dá)20m以上，尺寸較大。只有1.2m紅外望遠(yuǎn)鏡采用了已有的6m圓頂，雖尺寸較小，安裝調(diào)試有些困難，但由于觀測(cè)操作均在其旁邊的控制室中進(jìn)行，所以效果很好。

小尺寸圓頂

在傳統(tǒng)圓頂基礎(chǔ)上，盡量減小尺寸，降低造價(jià)。特別是當(dāng)?shù)仄绞綑C(jī)架被廣泛運(yùn)用后，望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸大大減小，相應(yīng)的圓頂尺寸也就減小了。例如，中國(guó)2.16m望遠(yuǎn)鏡采用傳統(tǒng)圓頂設(shè)計(jì)，雖然望遠(yuǎn)鏡不大，口徑只有2m，但其圓頂直徑卻達(dá)23米。而地平式的SOAR望遠(yuǎn)鏡（SOuth Astrophisical Research Telescope），口徑為4.2m，但其圓頂直徑只有20米，造價(jià)為170萬(wàn)美元，比傳統(tǒng)的2m望遠(yuǎn)鏡圓頂?shù)某杀具€低。HET（Hobby—Eberly Telescope）主鏡口徑達(dá)9m，其圓頂直徑也只有20米左右。

開(kāi)啟式圓頂

這種圓頂與望遠(yuǎn)鏡隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)，外形可為圓柱體或多邊柱體。其優(yōu)點(diǎn)是望遠(yuǎn)鏡與圓頂間沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而可根據(jù)望遠(yuǎn)鏡外廓進(jìn)一步縮小圓頂尺寸。另外，開(kāi)啟式結(jié)構(gòu)也更有利于空氣流通，改善圓頂內(nèi)視寧度問(wèn)題。這種圓頂結(jié)構(gòu)更為緊湊，成本也降低了。

百頁(yè)窗口式

在第3類(lèi)開(kāi)啟式圓頂?shù)幕A(chǔ)上，再加上充分通風(fēng)的百頁(yè)窗口。這樣既保持了開(kāi)啟式圓頂?shù)膬?yōu)點(diǎn)，也進(jìn)一步改善了觀測(cè)時(shí)的視寧度。目前世界上建成的幾臺(tái)8m級(jí)的望遠(yuǎn)鏡均采用了這類(lèi)結(jié)構(gòu)。例如，VLT的4臺(tái)8m級(jí)望遠(yuǎn)鏡圓頂，原先從解決視寧度和降低成本出發(fā)，擬采用露天式方案。后考慮到副鏡部分風(fēng)振問(wèn)題解決得不夠理想，且當(dāng)時(shí)資金已足夠，因此最終采用了開(kāi)啟式、與望遠(yuǎn)鏡隨動(dòng)的緊湊結(jié)構(gòu)，且在圓頂下部留有足夠大的可開(kāi)啟的通風(fēng)口。

天文圓頂

完全開(kāi)啟式

這類(lèi)圓頂觀測(cè)時(shí)望遠(yuǎn)鏡完全暴露在露天環(huán)境下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。因?yàn)橛^測(cè)時(shí)望遠(yuǎn)鏡周?chē)鷽](méi)有附加的構(gòu)件熱源，所以視寧度最好。有的天文學(xué)家稱(chēng)“工作時(shí)，沒(méi)有圓頂?shù)膱A頂，是最好的圓頂”。但由于望遠(yuǎn)鏡完全暴露在氣流中，當(dāng)風(fēng)力較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

隨動(dòng)的擋風(fēng)罩

在第5類(lèi)完全開(kāi)啟式圓頂?shù)幕A(chǔ)上，增加了與望遠(yuǎn)鏡隨動(dòng)的擋風(fēng)罩。這樣克服了完全開(kāi)啟式方案中風(fēng)大時(shí)望遠(yuǎn)鏡振動(dòng)的問(wèn)題，但風(fēng)罩及其隨動(dòng)機(jī)構(gòu)也相應(yīng)增加了成本。美國(guó)SDSS望遠(yuǎn)鏡（Sloan Digital Sky Survey Telescope）即采用了這種圓頂方案。

第七類(lèi)（獨(dú)特設(shè)計(jì)）

這是一種很獨(dú)特的設(shè)計(jì)，它將圓頂與望遠(yuǎn)鏡鏡筒合為一體，做成圓球狀，省去了鏡筒結(jié)構(gòu)，大大降低了望遠(yuǎn)鏡造價(jià)。其跟蹤運(yùn)動(dòng)一般由摩擦機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)圓球完成，成本較低。這種結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)在于大圓頂表面的加工，一般沒(méi)有通用的機(jī)床能勝任，必須設(shè)計(jì)專(zhuān)用的加工設(shè)備。法國(guó)已有一臺(tái)1m級(jí)望遠(yuǎn)鏡成功地采用了這種結(jié)構(gòu)。原擬建造的LEST大陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（Large European Solar Telescope），也曾想采用這種結(jié)構(gòu)。中國(guó)天文普及專(zhuān)家伊世同先生在他提出水上公園望遠(yuǎn)鏡時(shí)，也曾考慮采用水上浮球式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。

第八類(lèi)（結(jié)合方案）

這是第3種開(kāi)啟式圓頂與第6種隨動(dòng)擋風(fēng)罩方案的結(jié)合。它將風(fēng)屏固定在望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)上，與第6種方案不同的是，風(fēng)屏固定在望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)上增加了望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。這種風(fēng)屏在不工作時(shí)可以完全關(guān)閉，以保護(hù)望遠(yuǎn)鏡，因而不需外加圓頂。LBT（Large Binocular Telescope）即采用了這種方案。

天文圓頂主要發(fā)揮兩大作用：

保護(hù)設(shè)備與人員：保護(hù)望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備免受自然界中雨、雪、風(fēng)沙等惡劣氣候的侵蝕，同時(shí)為觀測(cè)人員提供一個(gè)良好的觀測(cè)環(huán)境。

優(yōu)化觀測(cè)條件：防止外界溫度變化對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生不良影響，確保觀測(cè)時(shí)具有良好的天文大氣寧?kù)o度（Seeing），從而提高觀測(cè)質(zhì)量。 

2011年冬天：風(fēng)速高達(dá)每小時(shí)95英里的大風(fēng)侵襲了邁爾旺布爾天文臺(tái)，大風(fēng)將罩著望遠(yuǎn)鏡的22英尺高的圓頂吹裂，給天文觀測(cè)帶來(lái)了嚴(yán)重影響。

阿帕奇天文臺(tái)事件：阿帕奇天文臺(tái)曾遭到閃電擊中，圓頂室停電，但并沒(méi)有起火。只不過(guò)電氣柜里18英寸長(zhǎng)的電線全燒光了，幸運(yùn)的是未造成更嚴(yán)重的后果。