CN108386134B - 冲压加速器系统 - Google Patents
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Abstract
一个或多个冲压加速器装置可以用于在地质或其他材料中形成一个或多个孔。这些孔可以用于钻孔、隧道掘进、挖掘等。所述冲压加速器装置推进通过燃烧处于冲压效应的一种或多种可燃气体来加速的弹丸达到超过每秒500米的速度。
Description
本申请是申请号为CN201480016227.3、申请日为2014年1月21日、发明名称为“冲压加速器系统”的发明专利申请的分案申请。
优先权
本申请要求2013年3月15日提交的标题为“冲压加速器系统(Ram AcceleratorSystem)”的美国申请13/841,236的优先权，所述申请以引用的方式整体并入本文。
背景技术
传统的钻孔和挖掘方法利用钻头在被穿透的一个或多个层的材料中形成孔。挖掘、采石和隧道掘进也可以使用放置在孔中并引爆以分裂至少一部分材料的炸药。炸药的使用导致额外的安全性和监管负担，从而增加操作成本。通常，这些方法从钻孔、爆破、材料去除、地层支撑循环运转，并且是用于去除材料以形成所需的挖掘的相对缓慢(取决于被移动的横截面积，通常将耗费每线性英尺几分钟到几小时到几天)的方法。
附图说明
现在将在下面参照各个方面被示出的附图更充分地描述某些实施方式和实施方案。然而，各个方面可以用许多不同的形式来实施并且不应被解释为限于本文陈述的实施方式。附图不一定按比例绘制，并且所指示的对象的相对比例可能已被修改以便于说明，而不是为了限制。通篇中相同的数字指代相同的元件。
图1是使用冲压加速器钻孔或挖掘的说明性系统，冲压加速器包括保持一种或多种可燃气体的多个段，并且被配置成朝向材料的工作面推进弹丸。
图2图示使用冲压加速器钻孔形成的弯曲钻孔路径。
图3图示段分离器机构，其被配置成重置在发射弹丸期间穿透的隔膜，使得在冲压加速器的段之间保持密封。
图4图示被配置成使用冲压燃烧效应加速的弹丸。
图5图示被配置具有研磨内芯的弹丸，研磨内芯被配置成在冲击时并在冲击之后提供材料的磨损。
图6图示弹丸与地质材料的流体-流体冲击相互作用。
图7图示弹丸与地质材料的非流体-流体冲击相互作用。
图8图示与可以置于孔底的导管以及钻孔器和其他装置相关联的额外的细节。
图9图示具有耦合到一个或多个喷出物通道的喷出物收集器的置于孔底的导管，喷出物通道被配置成从地上的冲击传递喷出物进行处置。
图10图示具有钻孔器的置于孔底的导管，钻孔器被配置成由在地上循环以去除喷出物的至少一部分的流体冷却。
图11图示在孔内部署连续混凝土衬砌的置于孔底的导管。
图12图示使用冲压加速器以使用多个弹丸钻多个孔的隧道掘进或挖掘。
图13图示用于去除由冲压加速器弹丸钻的孔所限定的岩段的装置。
图14是使用冲压加速器钻孔的过程的流程图。
图15是多个弹丸的多个发射的过程的流程图，其中在至少一些发射之间调整发射模式。
具体实施方式
用于穿透材料的常规的钻孔和挖掘技术通常依赖于用于在工作面切割或研磨的机械齿。这些材料可以包括金属、陶瓷、地质材料等。对机械齿的刀具磨损与破损减缓这些操作，从而增加成本。此外，切穿材料(诸如硬岩)的进展速度可能受到抑制。钻孔可以用于建立水井、油井、天然气井、地下管道等。另外，常规技术的环境影响可能是巨大的。例如，常规的钻孔可能需要有大量的水供应，这在干旱地区可能无法轻易获得。因此，资源开采可能是非常昂贵的、耗时的或两者兼具。
本公开描述用于使用冲压加速器来向地质材料的工作面喷出一个或多个弹丸的系统和技术。冲压加速器包括分成多个段的发射管。每个段被配置成保持一种或多种可燃气体。沿着发射管向下并且通过多个段使弹丸升压到冲压速度。在冲压速度下，至少部分地由弹丸的形状提供的冲压压缩效应会启动处于冲压燃烧效应的一种或多种可燃气体的燃烧，从而加速弹丸。在一些实施中，弹丸可以加速到超高速。在一些实施中，超高速包括在从冲压加速器发射管喷出或退出后大于或等于每秒2公里的速度。在其他实施中，弹丸可以加速到非超高速。在一些实施中，非超高速包括低于每秒2公里的速度。
从冲压加速器喷出的弹丸撞击地质材料的工作面。由于弹丸中的大量的动能，在超高速下运行的弹丸通常在冲击后作为流体-流体相互作用在工作面与地质材料相互作用。这种相互作用形成通常以圆柱体的形式的孔。通过发射一系列弹丸，可以使孔钻通地质材料。相比之下，在非超高速下运行的弹丸作为固体-固体相互作用在工作面与地质材料相互作用。这种相互作用可能会使地质材料破裂或碎裂，并且可以形成圆柱形的孔或具有锥形轮廓的弹坑。
段分离器机构被配置成在包含一种或多种可燃气体的冲压加速器中的不同的段之间提供一个或多个屏障。每个段可以被配置成包含在各种条件(诸如特定压力等)下的一种或多种可燃气体。段分离器机构可以使用隔膜、阀等，其被配置成密封一个或多个段。在发射期间，弹丸穿过隔膜，破坏密封，或阀在发射之前被打开。卷轴机构可以用于将隔膜的未使用的部分移动到位，恢复密封。也可以使用其他分离器机构，诸如球阀、板、重力梯度等。
可以进一步引导或处理由弹丸的冲击形成的孔。可以将导管插入孔中以防止沉降、指示钻孔路径、部署仪器等。在一个实施中，钻孔器或滑垫片可以耦合到导管并且插入孔底。钻孔器可以包括一个或多个切割或研磨表面，其被配置成使孔形成为大体上均匀的横截面。例如，钻孔器可以被配置成使孔的侧面平滑。
钻孔器也可以被配置成在导管与孔壁之间施加侧力，从而在特定方向上使钻头倾斜或以其他方式引导钻头。这种方向性使冲压加速器能够形成弯曲钻孔路径。
导管被配置成接受从冲压加速器喷出的弹丸并且朝向工作面引导弹丸。可以沿着导管向下从冲压加速器发射一系列弹丸，从而允许连续钻孔操作。也可以提供其他操作，诸如将连续混凝土衬砌插入孔中。
可以从孔中去除包括材料的喷出物，其是由一个或多个弹丸与地质材料的冲击引起的。在一些实施中，由冲击引起的背压可以推动孔中的喷出物。在一些实施中，工作流体(诸如压缩空气、水等)可以注入孔以帮助去除喷出物的至少一部分。可以在弹丸的每个发射之前、期间或之后连续地进行注入。
也可以部署一个或多个冲压加速器以钻几个孔进行隧道掘进、挖掘等。可以按顺序或同时发射多个加速器以撞击工作面上的一个或多个目标点。在通过弹丸冲击形成几个孔之后，可以使用各种技术来去除由彼此接近的两个或更多个孔限定的多块地质材料。可以通过断电臂施加机械力以从在工作面的地质材料的主体捕捉、断裂或以其他方式释放多块地质材料。在其他实施中，可以将常规的炸药放置到冲压加速器钻的孔中并引爆以使地质材料破碎。
在一些实施中，常规的钻孔技术和设备可以结合冲压加速器钻孔来使用。例如，冲压加速器钻孔可以用于达到特定的目标深度。一旦在目标深度，可以使用常规的取芯钻头来从在目标深度的地层检索芯样。
描述的系统和技术可以用于减少时间、成本，和环境所必需的资源开采、资源勘探、施工等。此外，冲压加速器钻孔的能力使能够更深入开采和恢复自然资源。另外，冲击过程中释放的能量可以用于岩土工程勘察，诸如反射地震学、地层特性等。
说明性系统和机构
图1是使用冲压加速器102钻孔或挖掘的说明性系统100。冲压加速器102可以定位在与地质材料106或靶材料的相隔距离104处。冲压加速器102具有主体108。主体108可以包括一种或多种材料，诸如钢、碳纤维、陶瓷等。
冲压加速器102包括升压机构110。升压机构110可以包括气体自动枪、电磁发射器、固体炸药、液体炸药、背压系统等中的一个或多个。升压机构110可以通过提供弹丸118与一种或多种可燃气体中的颗粒之间的相对速度差来操作，所述相对速度差等于或大于冲压速度。冲压速度为弹丸118相对于一种或多种可燃气体中的颗粒的速度，冲压效应在这个速度下发生。在一些实施中，升压机构110内的发射管116的至少一部分可以保持在发射之前的真空下。
在这里描绘的实例中，升压机构包括爆炸气体自动枪，其包括耦合到腔室114的点火器112。腔室114可以被配置成包含一种或多种易燃或易爆或可爆炸材料，其在被点火器112触发时生成能量反应。在描绘的气体自动枪实施中，腔室114耦合到弹丸118被放置在里面的发射管116。在一些实施中，弹丸118可以包括或接近闭塞器120，其被配置成从发射管116至少临时地密封腔室114。闭塞器可以与弹丸118附接，集成但易碎或分离，但是与弹丸118接触。可以提供一个或多个防爆孔122以提供反应副产物的释放。在一些实施中，发射管116可以是光滑的内螺纹管，包括一个或多个导轨或其他导向特征等。发射管116或其部分可以保持在低于环境大气的压力的压力下。例如，发射管116的部分(诸如在升压机构110中的那些部分)可以被抽空至小于25托的压力下。
升压机构110被配置成用弹丸118启动冲压效应。冲压效应导致弹丸118对一种或多种可燃气体的压缩，以及靠近弹丸118背面的随后的燃烧。这种压缩导致加热一种或多种可燃气体、触发点火。在放热反应中燃烧的点燃气体对沿着发射管116向下加速的弹丸118施加脉冲。在一些实施中，可以使用烟火点火器帮助或启动点火。烟火点火器可以固定到弹丸118或弹丸118的一部分，或可以布置在发射管内。
升压机构110可以使用电磁、固体炸药、液体炸药、存储压缩气体等来在冲压速度下沿着发射管116推进弹丸118。在一些实施中，可以使用背压系统。背压系统加速一种或多种可燃气体的至少一部分越过固定弹丸118，从而产生最初固定弹丸118的冲压效应。例如，当弹丸118倚靠在发射管116内时，在高压下的可燃气体混合物可以从发射管116内的端口被排出越过弹丸118。这种相对速度差达到冲压速度，并且燃烧的冲压效应开始并沿着发射管116向下推进弹丸118。也可以使用混合系统，其中弹丸118被移动并且背压被同时施加。
弹丸118沿着发射管116从升压机构110通入一个或多个冲压加速段124。冲压加速段124(或“段”)可以被段分离器机构126限制。段分离器机构126被配置成将经由一个或多个进气阀130允许进入段124的可燃气体混合物128保持在特定段124中。每个不同的段124可以具有不同的可燃气体混合物128。
段分离器机构126可以包括阀(诸如球阀)、隔膜、重力梯度、液体，或被配置成将不同的可燃气体混合物128大体上保持在其各自的段124内的其他结构或材料。在下文参照图3所描述的一个实施中，可以使用卷轴机构部署隔膜，从而允许在冲压加速器102的操作期间在弹丸118穿透之后隔膜的相对快速重置。在其他实施中，发射管116可以布置在不垂直于当地垂线的角度，使得重力基于相对密度在不同的高度保持不同的可燃气体混合物128。例如，较轻的可燃气体混合物128在较重的可燃气体混合物128上方“浮动”，较重的可燃气体混合物128下沉或保留在发射管116的底部上。在另一实例中，在孔134的底部的流体可以提供密封，其允许导管136填充有可燃气体混合物128并且用作冲压加速段124。
在这个图解中描绘由五个段分离器机构126(1)-(5)保持的四个段124(1)-(4)。当准备操作时，段124(1)-(4)中的每个填充有可燃气体混合物128(1)-(4)。在其他实施中，可以使用不同数量的段124、段分离器机构126等。
可燃气体混合物128可以包括一种或多种可燃气体。一种或多种可燃气体可以包括助燃剂或氧化剂。例如，可燃气体混合物128可以包括以2:1的比率的氢气和氧气。可以使用其他可燃气体混合物，诸如硅烷和二氧化碳。可以通过从环境大气、材料电解(诸如水)、从使用化学地反应以释放可燃气体的固体材料的固体或液体气体发生器、从先前存储的气体或液体等萃取来提供可燃气体混合物128。
可燃气体混合物128可以在段124之间相同或可以不同。这些差异包括化学成分、压力、温度等。例如，每个段124(1)-(4)中的可燃气体混合物128的密度可以沿着发射管116减少，使得段124(1)比段124(4)在更高的压力下保持可燃气体128。在另一实例中，段124(1)中的可燃气体混合物128(1)可以包括氧气和丙烷，而可燃气体混合物128(3)可以包括氧气和氢气。
一个或多个传感器132可以沿着冲压加速器102在一个或多个位置上进行配置。这些传感器可以包括压力传感器、化学传感器、密度传感器、疲劳传感器、应变仪、加速计、近距离传感器等。
冲压加速器102被配置成从发射管116的喷出端并且朝向地质材料106或其他地质材料106的工作面喷出弹丸118。在冲击后，可以形成孔134。喷出端为靠近孔134的冲压加速器102的部分。
可以一个接一个发射一系列弹丸118，以形成通过每个冲击长度上增加的孔。冲压加速器102可以将弹丸118加速到超高速。如在本公开中所使用，超高速包括在从冲压加速器发射管喷出或退出后大于或等于每秒2公里的速度。
在其他实施中，弹丸可以加速到非超高速。非超高速包括低于每秒2公里的速度。也可以基于弹丸118与地质材料106或其他地质材料106的相互作用表征超高速和非超高速。例如，超高速冲击以流体-流体类型的相互作用为特征，而非超高速冲击不以流体-流体类型的相互作用为特征。下文参照图6和7更详细地讨论这些相互作用。
在一些实施中，可以将导管136插入孔134中。导管136的内部可以是光滑的内螺纹，包括一个或多个导轨或其他导向特征等。导管136提供弹丸118的通路以从冲压加速器102前往正被钻孔的地质材料106的部分。导管136也可以用于防止沉降、指示钻孔路径、部署仪器、部署钻孔器等。因此，导管136可以沿着通过弹丸118的连续冲击而形成的钻孔路径138跟随。导管136可以包括诸如用螺纹、夹子等耦合在一起的多个段。导管136可以是圆形、椭圆形、矩形、三角形，或描述横截面的多面体。导管136可以包括一个或多个管或一个嵌套在另一个内的其他结构。例如，导管136可以包括内管和外管，其被同轴地安装，或内管紧靠着外管的一侧。
通过最小化与增加更多的导管136相关联的工作暂停，使用弹丸118的冲击形成孔134会导致比常规的钻孔增加的钻孔速度。例如，在重复如下之后，相隔距离104可以增加到零至数百英尺的距离。在使用几个弹丸118延长孔134之后，发射可以停止，同时一个或多个额外的导管136的段被插入。相比之下，常规的钻孔可能涉及每十英尺停下以增加钻管的新段，这会导致进展缓慢。
通过修改冲压加速器102的一个或多个发射参数、移动导管136等，可以改变钻孔路径138的方向。例如，通过推压孔134的壁、使导管136弯曲或倾斜到特定方向，导管136上的钻孔器可以施加侧压。
喷出物收集器140被配置成收集或捕获由一个或多个弹丸118的冲击引起的喷出物的至少一部分。喷出物收集器140可以被放置接近孔134的顶部，诸如耦合到导管136。
在一些实施中，钻夹头142可以机械耦合到导管136，使得导管136可以被升高、降低、旋转、倾斜等。因为通过弹丸118的冲击去除地质材料106，所以导管136的端部不携带与传统的机械钻孔技术相关联的负载。因此，与常规的钻孔相比，钻夹头142和冲压加速器系统可以将较少的扭矩施加到导管136。
冲压加速器102可以结合常规的钻孔技术来使用。这将在下文参照图2更详细地进行讨论。
在一些实施中，电子控制系统144可以耦合到冲压加速器102、一个或多个传感器132、弹丸118中的一个或多个传感器等。控制系统144可以包括一个或多个处理器、存储器、接口等，其被配置成促进冲压加速器102的操作。控制系统144可以耦合到一个或多个段分离器机构126、进气阀130和传感器132以协调冲压加速器102的配置来喷出弹丸118。例如，控制系统144可以将特定可燃气体混合物128填充到特定段124中，并且推荐特定弹丸118的类型使用以在特定地质材料106中形成特定孔134。
可以存在这里没有描绘的其他机构。例如，注入系统可以被配置成将一种或多种材料添加到弹丸118的尾部中。这些材料可以用于清洁发射管116、清洁导管136、去除杂物等。例如，可以将粉状二氧化硅注入弹丸118的尾部中，使得二氧化硅的至少一部分沿着发射管116向下被尾部拉动，进入孔134，或两者。
在一些实施中，漂移管可以定位在发射管116与导管136或孔134之间。漂移管可以被配置成为弹丸118提供两者之间的一致的通路。
图2图示通过冲压加速器钻孔至少部分地形成弯曲钻孔路径138的情况200。在这个图解中，工作现场202被示出在地平面204。在工作现场202，支撑结构206固定冲压加速器102。例如，支撑结构206可以包括井架、吊车、脚手架等。在一些实施中，冲压加速器102的总长度可以在75至300英尺之间。支撑结构206被配置成在发射期间在所需的方向上将发射管116保持在大致直线。通过在发射弹丸118期间最小化发射管116的偏转，施加在主体108上的侧向载荷减少。在一些实施中，多个冲压加速器102可以被移进和移出在孔134前面的位置以发射其弹丸118，使得一个冲压加速器102发射而另一个被装载。
根据特定任务，冲压加速器102可以被垂直地、成一定角度或水平地布置。例如，在钻井时，冲压加速器102可以被大体上垂直定位。相比之下，在掘进隧道时，冲压加速器102可以被大体上水平定位。
钻孔路径138可以被配置成沿着一个或多个曲率半径变曲或弯曲。可以至少部分地基于在内部运输弹丸118期间强加于导管136上的侧向载荷来确定曲率半径。
弯曲的能力允许钻孔路径138被定向成可以达到在地平面204下面的空间中的特定点，或避免特定区域。例如，钻孔路径138可以被配置成绕过地下水库。在这个图解中，钻孔路径138穿过地质层208的几层，到最终的目标深度210。在目标深度210，或在冲击期间在钻孔路径138中的其他点，可以分析由弹丸118的冲击引起的喷出物以确定钻孔路径138的端部穿过的各种地质层208的组成。
在一些实施中，冲压加速器102或其一部分可以延伸或放置在孔134内。例如，可以使冲压加速器102沿着导管136向下降低，并且发射可以在地平面下面的深度开始。在另一实施中，导管136或其一部分可以用作额外的冲压加速段124。例如，孔134中的导管136的下部可以填充有可燃气体以在冲击之前提供加速。
使用冲压加速器102钻孔可以结合常规的钻孔技术来使用。例如，冲压加速器102可以用于快速达到预先指定的目标深度210地平线。在这一点上，使用冲压加速器102可能会停止，并且常规的钻孔技术可以使用由弹丸118形成的孔134进行操作，诸如切割芯样等。一旦芯样或其他操作已经完成所需的距离，冲压加速器102的使用可能恢复并且额外的弹丸118可以用于增加钻孔路径138的长度。
在另一实施中，弹丸118可以用这样的方式成形，即，捕获或测量正在处理的地质材料106的材料特性或分析包括弹丸118的材料与地质材料106或其他靶材料之间的材料相互作用。弹丸118片段的样品可以从孔134收回，诸如通过钻芯和弹丸的恢复。此外，弹丸118中的传感器可以将信息传回到控制系统144。
图3图示段分离器机构126的一个实施的机构300。如上所述，几种技术和机构可以用于将不同的可燃气体混合物128保持在特定冲压加速器段124内。
这里描绘的机构300可以布置在特定段124的一个或多个端部。例如，机构300可以在这里示出的段124(1)与段124(2)之间、在包含可燃气体混合物128(4)的段124(4)的喷出端等。
在冲压加速器段124之间提供间隙302。通过间隙302，或在喷出端上时在发射管116前面，隔膜304延伸。隔膜304被配置成将可燃气体混合物128保持在各自的段内、防止环境大气进入抽空的段124等。
隔膜304可以包括一种或多种材料，这些材料包括但不限于金属、塑料、陶瓷等。例如，隔膜304可以包括铝、钢、铜、迈拉等。在一些实施中，载体或支持矩阵或结构可以布置成围绕隔膜304的至少一部分，隔膜304被配置成在发射期间由弹丸118穿透。被配置成穿透的隔膜304的部分可以在一个或多个方面不同于载体。例如，载体可以是是较厚的，具有不同的成分等。在一些实施中，被配置成穿透的隔膜304的部分可以被刻痕或以其他方式设计成促进弹丸118的穿透。
供片卷筒306可以将多个隔膜304存储在载体条或隔膜材料中，其中穿透的隔膜被卷带轴308占用。
通过压缩隔膜304的一部分或载体，可以在段124与隔膜304之间保持密封，载体在第一冲压加速器段124(1)上的第一密封组件310与第二冲压加速器段124(2)上的相应的第二密封组件312之间固定隔膜304。第二密封组件312在这里描绘为被配置成如沿着箭头314指示朝向或远离第一密封组件310移动，以允许形成或破坏密封和隔膜304的运动。
在抽空段124或使段124填充有可燃气体混合物128期间，在第一密封组件310与第二密封组件312之间密封的完整隔膜304会密封段124。在发射过程期间，弹丸118穿透隔膜304，留下孔。在发射之后，材料可以从供片卷筒306缠绕到卷带轴308，使得完整隔膜304被带入发射管116并且随后被密封组件密封。
外壳316可以被配置成包围卷轴、密封组件等。可以提供各种接入端口或舱口，其允许进行维护，诸如去除或放置供片卷筒306、卷带轴308等。可以提供分离接头318，其允许分离第一冲压加速器段124(1)与第二冲压加速器段124(2)。外壳316、分离接头318和其他结构可以被配置成在操作期间保持发射管116的对准。外壳316可以被配置具有一个或多个减压阀320。这些阀320可以用于释放由冲压加速器102的操作、大气压力的变化等引起的压力。
尽管在这个实例中描绘第一冲压加速器段124(1)与第二冲压加速器段124(2)分离，但是应理解可以在其他段124之间、在其他段124的端部等使用机构300。
在其他实施中，隔膜304可以被布置成材料板或片，而不是卷轴。供给机构可以被配置成改变这些板或片以用完整隔膜来代替穿透的隔膜304。
段分离器机构126可以包括板，其被配置成滑入和滑出发射管116，诸如闸阀。也可以使用其他阀，诸如球阀。这些各种机构中的一个或多个可以在相同的发射操作期间用于相同的发射管116。例如，机构300可以被使用在冲压加速器102的喷出端，而球阀或闸阀可以被使用在段124之间。
段分离器机构126可以被配置成配合在导管136内，或向下放置在孔134内。这种布置允许冲压加速段124沿着孔134向下延伸。例如，机构300可以被向下部署在孔134内，诸如可以沿着孔向下发散一系列持续的弹丸118。
图4图示弹丸118的几个视图400。侧视图402将弹丸118描绘成具有前部404、后部406、杆式侵彻体408、内体410和外体412。前部404被配置成在发射期间在后部406之前退出发射管116。
杆式侵彻体408可以包括一种或多种材料，诸如金属、陶瓷、塑料等。例如，杆式侵彻体408可以包括铜、贫化铀等。
弹丸118的内体410可以包括夹带到孔134中的固体塑料材料或其他材料，例如，炸药、孔清洁剂、渗漏封堵剂、水、冰。塑料炸药或专用炸药可以嵌入杆式侵彻体408中。当弹丸118穿透地质材料106时，炸药在其可能被引爆的地方夹带到孔134中。在另一实施方案中，外壳体412可以连接到被配置成将单独的炸药拉入孔134的挂列车。
在一些实施中，弹丸118的至少一部分可以包括在冲压加速器102的发射顺序的至少一部分期间在条件存在的情况下可燃的材料。例如，外壳体412可以包括铝。在一些实施中，弹丸118可以省略机载推进剂。
弹丸118的后部406也可以包括闭塞器120，其适合于在弹丸118加速穿过发射管116的每个段时防止可燃气体混合物128漏出超过弹丸118。闭塞器120可以是弹丸118的组成部分或单独的和可拆卸单元。横截面414图示沿着由线A-A指示的平面的视图。
如图所示，弹丸118也可以包括一个或多个肋片416、轨道或其他导向特征。例如，弹丸118可以是内螺纹以诱发螺旋运动。肋片416可以定位到弹丸118的前部404、后部406或两者，以在发射和喷出期间提供导向。当弹丸118穿透地质材料106时，肋片416可以涂有帮助清洁发射管116的研磨材料。在一些实施中，肋片416中的一个或多个可以包括磨头418。在一些实施中，弹丸118的主体可以伸出以形成肋片或其他导向特征。磨头418可以用于在弹丸118通过期间清洁导管136。
在一些实施中，弹丸118可以并入一个或多个传感器或其他仪器。传感器可以包括加速计、温度传感器、陀螺仪等。可以使用无线电频率、光学传输、声学传输等使来自这些传感器的信息返回到接收设备。这个信息用于修改一个或多个发射参数、表征孔134中的材料等。
图5图示另一弹丸118设计的几个视图500。如这里在示出横截面的侧视图502中所示，弹丸118具有前部504和后部506。
在弹丸118内的是杆式侵彻体408。尽管穿透器被描绘成杆，但是在其他实施中穿透器可以具有一个或多个其他形状，诸如柱状固体。
类似于上面所描述的，弹丸118可以包括中间芯506和外芯508。在一些实施中，可以省略其中的一个或两个。也如上面所述，弹丸118可以包括内体410和外壳体412，虽然具有与上文参照图4所述不同的形状。
弹丸118可以包括烟火点火器510。烟火点火器510可以被配置成在发射期间启动、保持或以其他方式支持可燃气体混合物128的燃烧。
横截面512图示沿着由线B-B指示的平面的视图。如图所示，弹丸118可能不径向对称。在一些实施中，弹丸118的形状可以被配置成向弹丸118提供指导或方向。例如，弹丸118可以具有楔形或凿形。如上所述，弹丸118也可以包括一个或多个肋片416、轨道或其他导向特征。
弹丸118可以包括一种或多种研磨材料。研磨材料可以被布置在弹丸118内或上，并且被配置成在与地质材料106的工作面冲击后提供磨损作用。研磨材料可以包括金刚石、石榴石、碳化硅、钨或铜。例如，中间芯506可以包括可以在杆式侵彻体408的内芯与外芯508之间分层的研磨材料。
图6图示诸如在通过从冲压加速器102喷出的弹丸118穿透地质材料106的工作面期间发生的流体-流体冲击相互作用的顺序600。在这个图解中，时间被指示为沿着页面向下增加，如由箭头602指示。
在一个实施中，将具有长径比为约10:1或更多的弹丸118以高速冲击到地质材料106的工作表面中。在高于约800米/秒的速度下穿透产生大约是弹丸118的长度两倍或更多倍的穿透深度。另外，所形成的孔134的直径约为冲击弹丸118的直径的两倍。弹丸118的速度的额外增加导致地质材料106的穿透深度的增加。随着弹丸118的速度增加，弹丸118的前部开始迅速增加与地质材料106的工作面冲击。这种冲击会产生流体-流体相互作用区域604，其导致弹丸118的侵蚀或蒸发。由冲击引起的背压可能推动喷出物606或其他材料，诸如来自孔134中的钻孔器的切屑。喷出物606可以包括从细粉尘变化到大块的各种大小的颗粒。在一些实施中，喷出物606可以包括可用于其他工业过程的一种或多种材料。例如，包括碳的喷出物606可以包括适合于其他应用(诸如医药、化工、印刷等)的巴基球或纳米颗粒。
速度越高，弹丸118变得越充分地侵蚀并且因此由高速冲击形成的空间变得“越干净”或越空，从而留下越大的直径和越深的孔134。此外，当使弹丸118和地质材料106的一部分蒸发时，孔134将没有或几乎没有弹丸118的剩余材料。
图7图示诸如在通过弹丸118以较低的速度穿透地质材料106的工作面期间发生的非流体-流体相互作用的顺序700。在这个图解中，时间被指示为沿着页面向下增加，如由箭头702指示。
在较低速度下，诸如当在低于2公里每秒的速度下从冲压加速器102喷出弹丸118时，接近弹丸118的地质材料106的部分开始在破裂带704中破裂。可以从冲击部位投掷喷出物606。这里，冲击可以将多块地质材料106弄碎或破裂，而不是随着流体-流体相互作用出现使弹丸118和地质材料106的一部分蒸发。
如上所述，由冲击引起的背压可以从孔134推动喷出物606。
图8图示包括配备内管802和外管804的导管136的机构800。可以通过一个或多个定位装置806保持内管802相对于外管804的定位。在一些实施中，定位装置806可以包括衬套或环。定位装置806可以包括一个或多个孔隙或通路以允许材料(诸如流体、喷出物606等)通过。定位装置806可以被配置成允许内管802与外管804之间的相对运动(诸如旋转、平移等)。
内导管802与外导管804之间的空间可以形成一个或多个流体分布通道808。流体分布通道808可以用于运输喷出物606、流体(诸如冷却或液压流体)、衬里材料等。流体分布通道808被配置成经由一个或多个流体管路812从流体供应单元810接受流体。流体分布通道808可以包括一个管在另一个管内的同轴布置，套管包括内管与外管之间的空间。流体可能在封闭回路中再循环，或在开放回路中被使用一次。
内管802被布置在外管804内。在一些实施中，管可以彼此共线。可以添加额外的管，以提供额外的功能性，诸如额外的流体分布通道808。
一个或多个钻孔器814可以耦合到流体分布通道814并且被布置在孔134中。钻孔器814可以被配置成提供各种功能。这些功能可以包括通过切割、刮削、研磨等提供孔134的大体上均匀的横截面。由钻孔器814提供的另一功能可以充当孔134的壁与导管136之间的轴承。来自流体供应单元810的流体可以被配置成冷却、润滑，并且在一些实施中供电钻孔器814。
钻孔器814也可以被配置具有一个或多个致动器或其他机构以产生一个或多个横向运动816。这些横向运动816使导管136的至少一部分相对于孔134的壁移动，从而使导管136的一个或多个部分倾斜、弄斜或弯曲。因此，弹丸118的冲击点可能发生了变化。通过在孔134内的一个或多个钻孔器814选择性地施加横向运动816，随后的弹丸118的位置产生影响并且钻孔路径138的所得方向可能会改变。例如，由于横向运动816，钻孔路径138可能是弯曲的。
可以沿着导管136定位钻孔器814或其他支撑机构(诸如滚筒、导向器、衬套等)。这些机构可以在操作期间防止或最小化导管136的欧拉失稳。
在一些实施中，也可以通过其他机构(诸如弹丸指示器818)改变弹丸118的路径。弹丸指示器818可以被布置在一个或多个位置(诸如导管136)、在接近地质材料106的工作面的导管136的端部等。弹丸指示器818可以包括被配置成在从导管136退出后使弹丸118偏转或移动的结构。
如上所述，导管136，或冲压加速器102在没有导管使用时，可以与地质材料106的工作面分离相隔距离104。相隔距离104可以至少部分地基于深度、孔134中的材料、发射参数等而变化。在一些实施中，相隔距离104可以是两个或更多个英尺。
随着钻孔的发展，导管136的额外的段可以耦合到在孔134中的那些段。如这里所示，在孔134中的导管136(1)可以耦合到导管136(2)。在一些实施中，可以在单独的操作期间接合内管802和外管804。例如，内管802(2)可以接合到孔134中的内管802(1)，可以安置一个或多个定位装置806，并且外管804(2)可以也接合到外管804(1)。
图9图示机构900，其中流体(诸如来自冲压加速器102发射的排气)用于驱动喷出物606或其他材料(诸如来自孔134中的钻孔器814的切屑)。在这个图解中，导管136被描绘成具有一个或多个钻孔器814。本文所述的流体分布通道808或其他机构也可以结合机构900来使用。
沿着导管136向下推动冲压加速器排气902(“排气”)或另一工作流体。工作流体可以包括在压力下的空气或其他气体、水或其他流体、浆料等。排气902将喷出物606推到一个或多个喷出物运输通道904中。在一个实施中，喷出物运输通道904可以包括导管136与孔134的壁之间的空间。在另一实施中，喷出物运输通道904可以包括导管136和与导管136同轴的另一管之间的空间。喷出物运输通道904被配置成从孔134携带喷出物606出来到喷出物收集器140。
一系列单向阀906可以被布置在喷出物运输通道904内。单向阀906被配置成排气902和喷出物606能够远离孔134的远端朝向喷出物收集器140迁移。例如，由沿着导管136向下移动的弹丸118产生的压力波沿着喷出物运输通道904推动喷出物606越过单向阀906。随着压力减弱，更大块的喷出物606可能会下降，但通过单向阀906防止返回到孔134的端部。通过由连续的弹丸118的排气902或其他注射或另一工作流体引起的每个连续的压力波，给定块的喷出物606迁移越过连续的单向阀906到表面。在表面上，喷出物收集器140运输喷出物606进行处置。
可以分析在表面上的喷出物606以确定孔134中的地质材料106的成分。在一些实施中，弹丸118可以被配置具有预定的元素或跟踪材料，使得分析可以与一个或多个特定弹丸118相关联。例如，编码的标签剂可以注入到排气902、放置在弹丸118上或内等。
图10图示用于使用流体来操作孔134中的钻孔器814或其他装置并且去除喷出物606的机构1000。如上所述，导管136可以配备一个或多个流体分布通道808。流体分布通道808可以被配置成将流体从流体供应单元810提供到孔134中的一个或多个装置或出口。
在这个图解中，钻孔器814中的一个或多个被配置成包括一个或多个流体出口端1002。流体出口端1002被配置成将流体的至少一部分从流体分布通道808发射到孔134中。这种流体可以用于带走喷出物606或其他材料，诸如来自钻孔器814的切屑。如上所述，一系列单向阀906被配置成将喷出物606或其他碎片引导到喷出物收集器140。在一些实施中，可以沿着流体分布通道808周期性地布置流体提升辅助端口1004。流体提升辅助端口1004可以被配置成通过提供加压流体的喷射来帮助喷出物606或其他碎片朝向喷出物收集器140的运动。可以用表计量流体出口端1002、流体提升辅助端口1004或两者以提供固定或可调流率。
包含来自流体出口端1002和流体提升辅助端口1004的喷出物606或其他碎片的流体的运动可以与来自排气902的压力配合工作以清除孔134的喷出物606或其他碎片。在一些实施中，弹丸118的各种组合可以用于在特定弹丸118的发射之前预先爆破或清除孔134的碎片。
如上所述，冲压加速器102可以与常规的钻孔技术配合工作。在一个实施中，孔134中的导管136的端部可以配备钻头或导向钻头。例如，取芯钻头可以允许芯管抽样。
图11图示衬里被部署在孔134内的机构1100。混凝土输送套管1102或其他机构(诸如管线)被配置成经由一个或多个供给管路1106从混凝土泵送单元1004接受混凝土。混凝土通过混凝土输送套管1102流动到孔134内的一个或多个混凝土出口端1108。混凝土被配置成填充孔134的壁与导管136之间的空间。代替或除了混凝土，还可以使用其他材料(诸如膨润土、农作物秸秆、棉、增稠剂(诸如胍尔豆胶、黄原胶)等)。
随着钻孔的继续，诸如通过由冲压加速器102发射的弹丸118的连续的冲击，导管136可以进一步向下插入孔134中，并且混凝土可以继续从混凝土出口端1108被泵送和挤压，从而形成混凝土衬砌1110。在其他实施中，除了混凝土之外的材料可以用于提供孔134的衬里。
在一些实施中，可以提供密封件1112以最小化或防止混凝土流入弹丸118目标转向冲击所在的孔134的工作面。机构1100可以与本文所述的其他机构相结合，诸如钻孔器机构800、喷出物606去除机构900和1000等。
在一个实施中，混凝土可以包括脱模剂或润滑剂。脱模剂可以被配置成减少导管136相对于混凝土衬砌1110的运动。在另一实施中，可以从另一组出口端发出脱模剂。也可以提供被配置成部署导管136与混凝土衬砌1110之间的一次性塑料层的机构。这个层可以被部署为液体或固体。例如，塑料层可以包括聚四氟乙烯(“PTFE”)、聚乙烯等。
图12图示用于使用一个或多个冲压加速器102隧道掘进或挖掘的机构1200。可以按顺序或同时发射多个冲压加速器102(1)-(N)以撞击工作面上的一个或多个目标点，从而形成多个孔134。可能以在地质材料106内产生一个或多个聚焦冲击波的预定的模式来配置冲击。这些冲击波可以被配置成断裂或移动不在冲击时蒸发的地质材料106。
如这里所示，六个冲压加速器102(1)-(6)被布置在工作面前面。从每个冲压加速器102发射一个或多个弹丸118，从而形成相应的孔134(1)-(6)。多个冲压加速器102(1)-(N)可以在平移、旋转或两者中移动，无论是作为一组还是独立地移动，以在地质材料106的工作面中瞄准和钻多个孔134。
在另一实施中，单个冲压加速器102可以在平移、旋转或两者中移动，以在地质材料106的工作面中瞄准和钻多个孔134。
在通过弹丸118的冲击形成孔134之后，可以使用各种技术来去除地质材料106的块或段。地质材料段1202是由彼此靠近的两个或更多个孔限定的地质材料106的部分。例如，以正方形布置的四个孔134限定可以被去除的地质材料106的段，如下文参照图13所述。
如上所述，冲压加速弹丸118的使用允许在地质材料106中快速形成孔134。这可能导致与隧道掘进相关联的减少的时间和成本。
图13图示用于去除由冲压加速器弹丸118或常规的钻孔技术钻的孔所限定的岩段的装置和过程1300。在断裂期间1302，冲压加速器102可以包括分裂地质材料段1304的机构。例如，冲压加速器102可以包括线性破碎机装置1306，其包括根据推臂运动1310移动的一个或多个推臂1308。推臂1308可以插入地质材料段1304之间，并且可以通过推臂1308施加机械力以从在工作面的地质材料106的主体捕捉、断裂或以其他方式释放多块地质材料106，从而形成移位的地质材料段1312。
在一些实施中，代替或除了线性破碎机装置1306，还可以使用根据旋转运动1316移动的旋转式破碎机装置1314。旋转式破碎机装置1314通过在旋转期间施加机械力来分裂地质材料段1304。在断裂之后(1318)，去除装置1320从孔134运输移位的地质材料段1312。例如，去除装置1320可以包括斗式装料机。
说明性过程
图14是利用超高速冲压加速器102穿透地质材料106的说明性过程1400的流程图1400。在方框1402，在工作现场202设置一个或多个冲压加速器102以钻几个孔进行隧道掘进、挖掘等。冲压加速器102可以垂直、水平或成对角线地定位在与被穿透的地质材料106的工作面的相隔距离处。
在方框1404，一旦定位冲压加速器102，为每个冲压加速器102确定发射参数，例如，弹丸118的类型和成分、地质材料106的硬度和密度、各自的冲压加速器的级数、发射角以及其他环境条件(包括气压、温度)。在方框1406，在确定发射参数之后，至少部分地基于发射参数选择一个或多个弹丸118，并且将所选的一个或多个弹丸118装入冲压加速器102，如在方框1408所述。
在方框1410，至少部分地基于所确定的发射参数来配置每个冲压加速器102。在方框1412，用固体气体发生器或多种可燃气体混合物启动每个冲压加速器102。在启动一个或多个冲压加速器102之后，根据所确定的发射参数发射一个或多个装入的弹丸118。例如，弹丸118沿着发射管116向下并且通过多个段被提升到冲压速度，并且从冲压加速器102被喷出，从而在地质材料106的工作面中形成或扩大一个或多个孔134。
如上所述，由冲击引起的背压可以从孔134推动喷出物606。在一些实施中，工作流体(诸如压缩空气、水等)可以注入孔134以帮助去除喷出物606的至少一部分。可以进一步处理由弹丸118在超高速下的冲击形成的每个孔134。在方框1418，导管136可以插入孔134以防止沉降、部署仪器等。在一个实施中，耦合到导管136的钻孔器814可以沿着孔134向下被插入并且被配置成提供大体上均匀的横截面。
图15是说明性过程1500，其利用超高速冲压加速器102穿透地质材料106以沿着单个孔134向下发射多个弹丸118，使得随着随后的弹丸118更深地穿透到地质材料106中孔134被扩大。在方框1502，确定地质材料106的力学特征。在方框1504，至少部分地基于地质材料106的力学特征确定一组初始发射参数。在方框1506，冲压加速器102被配置成至少部分地基于这组初始发射参数进行发射。一旦冲压加速器102被配置，在方框1508，朝向地质材料106的工作面发射弹丸118，从而形成一个或多个孔134。在方框1510，确定弹丸118与工作面的冲击结果。在一些实施方案中，冲压加速器102可能需要在装载和发射随后的弹丸118到孔134中之前被重新配置。在方框1512，至少部分地基于冲击结果确定第二组发射参数。在方框1514，从被配置具有第二组发射参数的冲压加速器102朝向地质材料106的工作面发射随后的弹丸118。这个过程可以重复进行，直到达到所需的穿透深度。
附加应用
冲压加速器102也可以用于工业应用，诸如用于材料生产、制造等。在这些应用中，靶可以包括材料，诸如金属、塑料、木材、陶瓷等。例如，在造船过程中，大的高强度钢板可能需要具有为管道、螺旋桨轴、舱口等创建的孔。冲压加速器102可以被配置成通过一个或多个金属片发射一个或多个弹丸118，以形成孔。通过围绕所需的开口的外围的多个更小的孔来形成大开口。然后，可以使用常规的切割方法(诸如等离子焊炬、锯等)来去除剩余材料并最终确定开口供使用。除开口之外，弹丸112的冲击也可以用于形成其他特征，诸如在靶内的凹槽。因此，冲压加速器102在这些工业应用中的使用可以能够用难以切割、研磨或以其他方式机械加工的材料进行制造。
此外，弹丸118可以被配置成在冲击期间，使特定材料沉积在冲击区域内。例如，弹丸118可以包括碳，使得在与靶冲击后，由冲击压力产生的金刚石涂层形成在开口的所得表面上。可以提供阻尼器或其他机构以捕获喷出物606、弹丸118后冲击的部分等。例如，冲压加速器102可以被配置成通过靶材料并朝向水池发射。
本领域普通技术人员将容易认识到，在上述附图中所示的某些步骤或操作可以被略去、组合、细分、并行执行或以替代顺序进行。此外，上述方法可以被实施为计算机系统的一个或多个软件程序并且在计算机可读存储介质中被编码为在一个或多个处理器上可执行的指令。这些程序的单独的实例可以被执行或分布在单独的计算机系统上。
尽管某些步骤已被描述为由某些装置、过程或实体执行，但是这并非必须如此，并且多种替代实施将由本领域普通技术人员所理解。
另外，本领域普通技术人员容易认识到，上述技术可以用于多种装置、环境和情况。尽管参照具体实施方案和实施来撰写本公开，但是各种变化和修改可以被建议给本领域技术人员，并且意图是本公开包含属于所附权利要求书的范围的这些变化和修改。
Claims (20)
1.一种冲压加速器系统，其包括：
控制系统，其被配置成确定发射参数；
冲压加速器，其基于所述发射参数被配置，所述冲压加速器包括被配置成包含可燃气体的段，其中所述冲压加速器被配置成将弹丸加速至进入地质材料中以形成孔；
导管，所述导管被配置成插入所述孔中，以防止所述地质材料沉降至所述孔中，
其中所述弹丸包括覆盖内芯的至少一部分的外芯，所述内芯包括一种或多种非气体材料，所述一种或多种非气体材料被配置成在冲击时提供磨损作用，其中所述一种或多种非气体材料包括以下各项中的一个或多个：
金刚石，
石榴石，
碳化硅，
钨，或
铜。
2.根据权利要求1所述的冲压加速器系统，其进一步包括耦合至所述导管的钻孔器，其中所述钻孔器包括一个或多个切割或研磨表面。
3.根据权利要求2所述的冲压加速器系统，其中所述钻孔器被配置成在所述导管与所述孔之间施加侧力，以改变由来自于所述冲压加速器的连续的弹丸所形成的所述孔的钻孔路径的方向。
4.根据权利要求1所述的冲压加速器系统，其中所述冲压加速器和所述导管中的一个或多个包括一个或多个膛线或导轨。
5.根据权利要求1所述的冲压加速器系统，其进一步包括：
升压机构，其耦合至所述冲压加速器；
闭塞器，其与所述弹丸接触，其中所述闭塞器能够与所述弹丸分离，且从所述冲压加速器密封所述升压机构。
6.根据权利要求1所述的冲压加速器系统，其进一步包括点火器，所述点火器固定到所述弹丸的一部分，其中所述点火器被配置成点燃所述可燃气体。
7.根据权利要求1所述的冲压加速器系统，其中所述导管包括与外管同轴地安装的内管。
8.根据权利要求7所述的冲压加速器系统，其中所述内管和所述外管界定位于所述内管和另一管之间的空间，且所述空间经配置以使流体流入所述孔或者从所述孔流出。
9.根据权利要求1所述的冲压加速器系统，其进一步包括位于所述导管的末端的弹丸指示器，其中所述弹丸指示器被配置成在从所述导管退出后使所述弹丸偏转。
10.一种冲压加速器系统，其包括：
控制系统，其被配置成确定发射参数；
冲压加速器，其基于所述发射参数被配置，所述冲压加速器包括被配置成包含气体的段；及
弹丸，其位于所述冲压加速器内，其中所述冲压加速器被配置成将所述弹丸加速至进入地质材料中以形成孔，且其中所述弹丸包括覆盖内芯的至少一部分的外芯，所述内芯包括一种或多种非气体材料，所述一种或多种非气体材料被配置成在冲击时提供磨损作用，其中所述一种或多种非气体材料包括以下各项中的一个或多个：
金刚石，
石榴石，
碳化硅，
钨，或
铜。
11.根据权利要求10所述的冲压加速器系统，其进一步包括：
升压机构，其耦合至所述冲压加速器；及
闭塞器，其与所述弹丸集成，其中所述闭塞器从所述冲压加速器密封所述升压机构且易于从所述闭塞器破碎。
12.根据权利要求10所述的冲压加速器系统，其进一步包括点火器，所述点火器固定到所述弹丸的一部分，其中所述点火器被配置成支持所述气体的燃烧。
13.根据权利要求10所述的冲压加速器系统，其中所述弹丸包括：
内体，其包括被配置成被夹带于所述孔中的材料；及
外体，其位于所述内体的外部。
14.根据权利要求10所述的冲压加速器系统，其进一步包括位于所述弹丸中的一个或多个传感器，其中所述一个或多个传感器被配置成传输信息以进行以下中的一个或多个：修改所述发射参数，以表征所述地质材料。
15.根据权利要求10所述的冲压加速器系统，其进一步包括位于所述冲压加速器的末端的弹丸指示器，以改变所述弹丸的路径。
16.一种冲压加速器系统，其包括：
控制系统，其被配置成确定发射参数；
冲压加速器，其基于所述发射参数被配置，所述冲压加速器包括被配置成包含气体的段，且所述冲压加速器被配置成使弹丸沿一路径加速至进入地质材料中以形成孔，其中所述路径被配置成被修改以提供具有弯曲的形状的孔，且其中所述弹丸包括覆盖内芯的至少一部分的外芯，所述内芯包括一种或多种非气体材料，所述一种或多种非气体材料被配置成在冲击时提供磨损作用，其中所述一种或多种非气体材料包括以下各项中的一个或多个：
金刚石，
石榴石，
碳化硅，
钨，或
铜。
17.根据权利要求16所述的冲压加速器系统，其中所述路径被配置成通过修改所述发射参数而被修改。
18.根据权利要求16所述的冲压加速器系统，其进一步包括：
导管，其与所述冲压加速器的末端接合，以引导所述弹丸朝向所述地质材料，其中所述路径被配置成通过移动所述导管的一部分而被修改。
19.根据权利要求18所述的冲压加速器系统，其进一步包括：
钻孔器，其与所述导管接合，其中所述钻孔器被配置具有一个或多个致动器以产生一个或多个横向运动，从而使所述导管的所述一部分相对于所述孔的壁移动，以修改所述路径。
20.根据权利要求16所述的冲压加速器系统，其进一步包括：
布置于所述冲压加速器的端部的弹丸指示器，其中所述弹丸指示器被配置成通过以下中的一个或多个来修改路径：使所述弹丸偏转或者移动。
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