豪特天线技术是一家德国小型公司，已被选中为一个大型项目生产关键部件。该项目将数百台射电望远镜组合成有史以来规模最大、最具雄心的天文仪器。该设计能否成功将取决于SKF轴承的精密技术。

豪特公司由卡尔•海因茨•斯坦弗斯博士创立的专业咨询公司发展而来。40多年来，斯坦弗斯博士一直致力于世界上众多大型射电望远镜的天线设计工作。如今，豪特公司在斯坦弗斯博士之子卢茨•斯坦弗斯的领导下，为先进的射电天线提供全方位的设计、制造、安装和升级服务。凭借所具备的专业能力和知识，该公司赢得了为新一代甚大阵列射电望远镜制造天线的合同。甚大阵列是一个望远镜系统，旨在通过史无前例的方式更深入地探索宇宙。

望远镜越大越好吗？

在过去几十年里，人类通过巨型望远镜取得了天文学的重大发现，从证明黑洞的存在到探测围绕遥远恒星运行的行星等等。但是，建造更大型的望远镜也面临着重重困难。例如，巨型望远镜的建造成本极高，而且维护难度极大。位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜是一个直径长达300米的碟形天线，它在2020年因支撑接收器组件的电缆发生断裂而倒塌，导致接收器组件与下方的碟形天线相撞。

大型望远镜的控制工作也很棘手。那些最大的射电望远镜，如中国的天眼望远镜和阿雷西博射电望远镜，都采用固定碟形天线。天文学家通过移动接收器来确定望远镜指向的方向，但他们通过这种方法只能观测天空的一小片区域。而稍小一些的巨型望远镜虽然可以实现全方向转向，但需要重型机械和先进的控制系统才能够精确地操纵其巨大的天线，以便于定位和追踪目标天体。

阵列：解决问题的有效途径

面对技术和资金的双重挑战，科学界不断寻求巨型单体望远镜的替代方案。其中一种方法是利用软件，将多张较小的望远镜捕捉到的图像拼合在一起。这种方法被称为天文干涉测量法，科学家们借此可以构建出一个虚拟镜面，其孔径与望远镜之间的间距相等，可达数百乃至数千米。自从计算机的性能提升至足以处理合成精细图像所需的复杂数学运算以来，射电望远镜阵列便在世界各地如雨后春笋般涌现。

甚大阵列射电望远镜是最著名的射电望远镜之一。它由28台直径为25米的射电望远镜组成，呈 “Y ”字形排列在美国新墨西哥州的沙漠平原上。甚大阵列射望远镜安装在轨道上，可以根据天文学家的需求进行改变位置。在其最大的结构布置中，最远的望远镜距离阵列中心达21公里。甚大阵列射望远镜始建于20世纪70年代，并在本世纪初进行了升级，数十年来一直表现优异，为科学界提供了大量宝贵的数据，并且经常作为科幻电影的取景地出现在银幕上。

全新一代

甚大阵列射望远镜已正好服役40周年，其业主美国国家射电天文台正着手实施一项耗资20亿美元的宏伟计划，旨在用最新设计来取代该阵列。按照天文学界直接命名的惯例，新望远镜将被命名为新一代甚大阵列望远镜。

甚大阵列望远镜将把天文干涉测量法的应用升至一个新的水平。它采用更小的单体碟形天线：直径仅为18米，取代了上一代的25米直径。不过，甚大阵列望远镜会使用更多天线。其核心阵列将包括244个天线，在当前甚大阵列的区域内以螺旋形排列。另外，还有30个天线将分布在美国西南部的广阔区域，跨度超过1,000多公里。同时，更多其他天线将分布在美国本土、夏威夷和波多黎各，从而打造出一个真正意义上横跨大陆的虚拟望远镜。

安装日

2024年5月，当卢茨•斯坦弗斯接受《演进》杂志采访时，他的团队正携带着甚大阵列望远镜的首个天线原型机前往新墨西哥州。这种新型天线并不是传统意义上的天线。虽然大多数射电望远镜都采用对称的圆形反射镜，接收装置则悬挂在反射镜中心上方，但甚大阵列望远镜天线将采用更接近长方形的反射镜，接收器则悬挂在底部边缘上方。这种设计被称为 “格里高利偏置天线”，其性能已被证明将优于尺寸相同的对称碟形天线。

设计规范要求的角度精度为3弧秒。

豪特天线技术公司总裁卢茨•斯坦弗斯

斯坦弗斯解释说：“与圆形天线相比，这种设计有许多优点，但建造难度要大得多。圆形天线的支撑框架由几个环组成，而甚大阵列望远镜的框架则要复杂得多。”

反射镜表面的支撑框架对其性能的影响至关重要。为了使图像保持对焦状态，框架必须在操作过程中不断移动的同时，将铝制反射板位置控制在几毫米的精度范围内，并且必须能够在户外经受强风和恶劣天气的考验，持续运行数十年。

更为复杂的是，甚大阵列望远镜项目要求天线能够折叠成较小的体积，以便于物流和运输，同时还需能够在现场快速、准确地完成组装。此外，由于项目需要数百个相同的装置，成本也是一个重要的考虑因素。

豪特公司的解决方案是，利用一个由超过700根钢管构成的三角格架来支撑反射镜。钢管之间使用高精度球铰连接，并锁定在一起，以保持所需的最终形状。此外，用于捕捉反射无线电波的接收器则由8米长的碳纤维管支撑。碳纤维因具有极高刚度而被选用。

整个装置安装在一个钢塔上，塔内装有用于操控天线的电机和控制系统。当需要拆卸时，所有部件都可以装入几个标准集装箱内。每个部件都配有唯一的二维码，以确保施工团队能够按照正确的顺序快速组装正确的部件。

缓慢运行

射电望远镜既是一部复杂的装置，也是一种精密的结构。它的碟形天线和接收器围绕两根轴同步旋转，以确保望远镜指向天空中的目标。这种运动有两种形式：一种是慢速运动，即望远镜在不同目标之间进行转动；另一种是极慢速运动，即控制系统在运行过程中进行微调，以便持续追踪目标，同时补偿风和地球自转带来的影响。

斯坦弗斯解释道：“设计规范要求的角度精度为3弧秒。” 这意味着误差小于千分之一度。在地球上，这种精度足以让激光束从69公里外精准地照射在一个1米宽的目标上。

要达到这样的精度水平，不仅需要精密的传感器和控制软件，还需要极其精密的机械部件。豪特选择SKF 作为其首选供应商，为望远镜提供两个仰角轴承，使其能够在地平线上方12度至90度之间旋转。

“两家公司已经携手合作了大约两年，共同确定了一个轴承解决方案，可以满足该望远镜对高承载能力、低摩擦以及极高精度的要求。SKF销售质量和流程经理尤根•布卢姆说：“该解决方案以SKF Explorer系列球面滚子轴承为基础，每个轴承的外径为720毫米，重290公斤。这种轴承通常用于大型造纸厂或采矿设备中。”

在一些更为典型的应用中，这种轴承必须能够承受高速、冲击和振动的工况。斯坦弗斯指出：“而在望远镜中，轴承几乎是静止的。”尽管如此，望远镜应用对轴承配置提出了不同的要求——必须能够以最小的游隙支撑负载。同时，尽管望远镜的运动速度缓慢，但必须保证平稳且具有极高的可预测性。

为了找到最适合这种工况的轴承配置，SKF的设计和应用工程团队进行了大量模拟试验。他们选择了可靠的润滑系统，能够定时定量地提供润滑脂，以最大限度地减少启动时的粘滑现象，并在运行过程中降低摩擦和磨损。他们还制造了精度极高的轴承套圈，并将套圈圆周方向的厚度变化降至最低，从而避免轴在运动中产生晃动。原型机的轴承被装配在特制的锥套上，这样可以在装配过程中精确调整到最终游隙，并且由于其独特设计，在运行过程中还能进一步减少径向跳动。

迎接“第一束光”

2024年初夏，SKF团队将前往西班牙，协助豪特公司安装并调整原型望远镜的轴承。之后，望远镜将被拆卸并运往最终目的地——新墨西哥州。在那里，豪特将用两个月时间对望远镜的运动和控制系统进行调试，最后将望远镜交付给客户。

紧接着，美国国家射电天文台团队将在望远镜上安装一个传感器原型组件，目标是在2025年初拍摄第一批图像——在望远镜领域，这是被称为 “第一束光”的里程碑时刻。随后，为期18个月的密集测试和改进工作将拉开序幕。如果一切都按计划进行，美国国家射电天文台将于2027年开始为甚大阵列望远镜项目大规模生产天线，为这项预计耗时十年的望远镜建造工程提供支持。

对于卢茨•斯坦弗斯来说，这是一个激动人心的时刻，但同时也是一个悲痛的时刻。他的父亲在第一台甚大阵列望远镜天线组装工作开始前几周去世。为了纪念他，这台样机将被命名为卡尔•海因茨•斯坦弗斯博士望远镜。