CN116249821B - 用于非接触式钻孔的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了用于以自主或基本上自主的方式钻穿或挖隧道穿过各种地质体的系统和方法，所述系统和方法包括将能量对准钻孔面以通过材料的断裂、剥落和移除来从钻孔面移除材料的一个或多个非接触式钻孔元件。系统能够自动执行方法以控制影响对准钻孔面的能量的通量的一组钻孔参数。系统还能够自动执行方法以：监测、引导、维持和/或调整一组钻孔控制措施，例如包括钻孔操作期间的系统和钻孔面之间的相隔距离、对准钻孔面的排气的温度、从钻孔面的材料移除速率、和/或钻孔面的热或拓扑表征。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年7月31日提交的题为“Method for Boring with Plasma(用于用等离子体钻孔的方法)”的第63/059,927号美国临时申请的权益，该申请通过该引用整体并入。本申请要求于2021年2月18日提交的题为“System for Boring ThroughGeologies via Jet Impingement(用于通过射流冲击钻穿地质体的系统)”的第63/151,036号美国临时申请的权益，该申请通过该引用整体并入。
技术领域
本发明总体上涉及地下钻孔领域，更具体地涉及在地下钻孔领域中用于用新的和有用的非接触式钻孔系统进行地下钻孔的新的和有用的方法。
附图说明
图1是用于用非接触式钻孔元件钻孔的示例实现方式的流程图；以及
图2是用于用非接触式钻孔元件钻孔的系统的示例实现方式的示意图；
图3是用于用等离子体炬钻孔的方法的示例实现方式的流程图；
图4A是用于用等离子体炬钻孔的系统的示例实现方式的示意图；
图4B是用于用等离子体炬钻孔的系统的示例实现方式的示意图；
图5是用于用包括喷气发动机的刀盘钻孔的方法的示例实现方式的流程图；以及
图6是用于用包括喷气发动机的刀盘钻孔的系统的示例性实施方式的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式的描述并非旨在将本发明限制于这些实施方式，而是使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本文描述的变型、配置、实现方式、示例实现方式和示例是可选的，并且不排除它们描述的变型、配置、实现方式、示例实现方式和示例。本文描述的本发明可以包括这些变型、配置、实现方式、示例实现方式和示例的任何和所有置换。
1.方法
如图1所示，用于钻孔的方法S100可以包括：在框S110中，在第一时间，将面向钻孔面的非接触式钻孔元件驱动到与钻孔面相距目标相隔距离(target standoff distance)；在框S120中，致动非接触式钻孔元件以从钻孔面移除材料；在框S130中，检测钻孔面的第一轮廓；以及在框S140中，将目标相隔距离调整到第二目标相隔距离。如图1所示，方法S100可以包括：在框S150中，响应于第一轮廓呈现小于目标梯度范围的第一梯度，将目标相隔距离减小到第二目标相隔距离；或者，在框S160中，响应于第一轮廓呈现大于目标梯度范围的第一梯度，将目标相隔距离增加到第二目标相隔距离。方法S100还可以包括：在框S170中，在第二时间，根据第二目标相隔距离将非接触式钻孔元件朝向钻孔面重新定位。
如图3所示，用于用等离子体钻孔的第二方法S200可以包括：在框S210中，在第一时间，将面向钻孔面的等离子体炬驱动到与钻孔面相距目标相隔距离；在框S220中，致动等离子体炬以从钻孔面移除材料；在框S230中，检测钻孔面的第一轮廓；以及在框S240中，将目标相隔距离调整到第二目标相隔距离。如图3所示，方法S200可以包括：在框S250中，响应于第一轮廓呈现小于目标梯度范围的第一梯度，将目标相隔距离减小到第二目标相隔距离；或者，在框S260中，响应于第一轮廓呈现大于目标梯度范围的第一梯度，将目标相隔距离增加到第二目标相隔距离。方法S200还可以包括：在框S270中，在第二时间，根据第二目标相隔距离将等离子体炬朝向钻孔面重新定位。
如图5所示，用于用包括喷气发动机的刀盘钻孔的第三方法S300可以包括：在框S310中，在第一时间，将面向钻孔面的刀盘驱动到与钻孔面相距目标相隔距离；在框S320中，致动刀盘以将处于目标排气温度的排气从喷嘴射向钻孔面，以从钻孔面移除材料；在框S330中，检测对准钻孔面的排气的第一温度；以及在框S340中，调整对准钻孔面的排气的第一温度。如图5所示，方法S300还可以包括：在框S350中，引导燃料计量单元调节进入燃烧器的燃料的速率，以将离开喷嘴的排气的温度维持在接近目标排气温度；以及在框S360中，引导空气计量单元调节进入燃烧器的空气的质量，以将离开喷嘴的排气的温度维持在目标排气温度处或其附近。
方法S100、S200、S300的变型可以包括：在第一时间，将面向钻孔面的非接触式钻孔元件驱动到与钻孔面相距目标相隔距离；致动非接触式钻孔元件以从钻孔面移除材料；检测从非接触式钻孔元件到钻孔面的第一相隔距离；基于在第一时间处的目标相隔距离与第一相隔距离之间的第一差值，计算从钻孔面的第一移除速率；响应于第一移除速率下降到低于目标移除速率，增加目标相隔距离；在第一时间之后的第二时间，将非接触式钻孔元件驱动到目标相隔距离；致动非接触式钻孔元件以从钻孔面移除材料；检测从非接触式钻孔元件到钻孔面的第二相隔距离；基于在第二时间处的目标相隔距离与第二相隔距离之间的第二差值，计算从钻孔面的第二移除速率；以及响应于第二移除速率下降到低于第一移除速率，减小目标相隔距离。
2.系统
如图2所示，用于非接触式钻孔的系统100可以包括：底盘(chassis)110；推进系统120，该推进系统120与底盘110一起被布置为使底盘110在朝向钻孔面200的第一方向上推进和使底盘110在远离钻孔面的第二方向上缩回；非接触式钻孔元件130，该非接触式钻孔元件130与底盘110连接并且被配置为响应于一组钻孔参数而操作；以及深度传感器190，该深度传感器190被配置为测量底盘110与钻孔面200之间的相隔距离。系统100还可以包括控制器180，该控制器180与推进系统120、非接触式钻孔元件130和深度传感器190连接，并且被配置为响应于深度传感器190测量到底盘110与钻孔面200之间的相隔距离而控制推进系统120、非接触式钻孔元件130和深度传感器190。
在图4A和图4B所示的系统100的一个变型中，系统100可以包括：底盘110；推进系统120，该推进系统120与底盘110一起被布置为使底盘110在朝向钻孔面200的第一方向上推进和使底盘110在远离钻孔面的第二方向上缩回；等离子体炬132，该等离子体炬132与电源134和气体供应装置136连接；以及等离子体炬升降装置(plasma torch ram)170，该等离子体炬升降装置170将等离子体炬132连接到底盘110。如图4A和图4B所示，等离子体炬升降装置170可以被配置为：将等离子体炬132定位在底盘110上；使等离子体炬132沿着基本上平行于第一方向和第二方向的纵向轴线(X轴)沿着底盘110推进和缩回；使等离子体炬132沿着相对于纵向轴线的纵倾角(pitch angle)和相对于纵向轴线的横倾角(yaw angle)倾斜；沿着基本上垂直于纵向轴线的竖向轴线(Z轴)竖向地提升等离子体炬132；以及使等离子体炬132沿着基本上垂直于纵向轴线和竖向轴线的横向轴线横向地移动。如图2、图4A和图4B所示，系统100还可以包括深度传感器190，该深度传感器190被配置为测量底盘110与钻孔面200之间的相隔距离；以及弃土排出器，该弃土排出器被配置为将废物从底盘110和钻孔面200之间的第一位置抽吸到第二位置。在示例性实现方式的该变型中，系统100还可以包括控制器180，该控制器180与推进系统120、等离子体炬132、等离子体炬升降装置170和深度传感器190连接，并且被配置为响应于深度传感器190测量到底盘110与钻孔面200之间的相隔距离而驱动推进系统120、等离子体炬132、等离子体炬升降装置170和深度传感器190。
在图6所示的系统100的另一个变型中，系统100可以包括底盘110和刀盘140，刀盘140包括：压缩机142，其被配置为压缩从地上新鲜空气供应装置进入的空气；燃烧器144，其被配置为将离开压缩机142的压缩空气与从地上燃料供应装置进入的燃料混合并点燃燃料；涡轮154，其被配置为从离开燃烧器144的燃烧的燃料和压缩空气提取能量以使压缩机142旋转；以及喷嘴160，其被配置为引导离开涡轮154的排气220以在钻孔面200处引起射流冲击区域。如图6所示，系统100还可以包括：刀盘升降装置170，其与刀盘130连接并且被配置为相对于钻孔面200定位刀盘130；温度传感器156；以及控制器180，其与刀盘130、温度传感器156和刀盘升降装置170连接。在示例实现方式的系统100的该变型中，控制器180可以被配置为：基于温度传感器156输出的信号来追踪离开喷嘴160的排气220的温度；以及调节进入燃烧器144的燃料的速率，以将离开喷嘴160的排气220的温度维持在低于钻孔中存在的地质体的熔化温度且高于该地质体的剥落温度。如图2和图6所示，系统100还可以包括推进系统120，其与控制器180连接并且与底盘110一起布置为使底盘110在朝向钻孔面200的第一方向上推进和使底盘110在远离钻孔面200的第二方向上缩回。
3.应用
总体上，系统100的一个或多个变型可以以自主或基本上自主的方式执行钻穿或挖隧道通过各种地质体的方法S100、S200、S300的框，同时提高钻孔速率和功率(燃料、电力、可燃气体)消耗的效率。总体上，系统100可以包括一个或多个非接触式钻孔元件，该非接触式钻孔元件将能量(例如，通过高温、压力、电磁辐射等)对准钻孔面以通过材料的断裂、剥落和移除来从钻孔面移除材料。为了以自主或基本上自主的方式操作，系统100可以自动执行方法S100、S200、S300的框，以控制影响对准钻孔面的能量通量的一组钻孔参数(电力、气体流量、空气流量、燃料流量等)。此外，系统100可以自动执行方法S100、S200、S300的框以：监测、引导、维持和/或调整一组钻孔控制措施，例如包括钻孔操作期间系统100与钻孔面之间的相隔距离、对准钻孔面的排气的温度、从钻孔面的材料移除速率和/或钻孔面的热或拓扑表征。下面参照附图描述非接触式钻孔系统100的示例实现方式的应用。
3.1.应用：等离子体钻孔变化
总体上，方法S100和S200可以在等离子体钻孔操作期间由等离子体钻孔系统100(下文称为“系统100”)执行，以根据钻孔形状(或“轮廓”)和从钻孔面的材料移除速率来调节等离子体炬功率、气体流速、取向、推进速率和相隔距离，从而维持钻孔的几何形状和高效的钻孔。更具体地，系统100可以执行方法S100和S200的框以：追踪从等离子体炬到钻孔面的实际相隔距离；实施闭环控制以将实际相隔距离维持在目标相隔距离；基于实际相隔距离与根据输入到等离子体炬的功率和气体流速的预测的相隔距离之间的差来表征钻孔效能；基于在钻孔面上的各个位置处的相隔距离来导出钻孔面轮廓；修改目标相隔距离和等离子体炬取向以提高钻孔效率并维持钻孔面上的目标钻孔面轮廓；以及对等离子体炬调节功率和气体流速，以在整个钻孔操作中随时间维持在给定目标相隔距离和等离子体炬取向的情况下的高钻孔效率。
例如，系统100可以：基于由系统100在钻孔面上测量的相隔距离来监测钻孔的钻孔面轮廓(或“形状”)；然后，在钻孔轮廓呈现高梯度(例如，陡峭、高度地凹入)时，增加目标相隔距离，或者在钻孔轮廓呈现低梯度(例如，浅薄，最小地凹入，呈现局部凸度)时，减小目标相隔距离。系统100还可以响应于检测到窄的钻孔横截面，对等离子体炬增加气体流速和功率和/或减慢等离子体炬的推进(或“输送”)速率，以便加宽钻孔；以及响应于检测到宽的钻孔横截面，对等离子体炬减小气体流速和功率和/或减慢等离子体炬的推进速率，以便维持期望的钻孔宽度或减小钻孔的横截面的尺寸。此外，系统100可以使等离子体炬朝向钻孔面的最靠近系统100的前端的区域—其可能因为地质体的变化而在系统100的当前操作参数下呈现低的移除速率—定向(或“倾斜”)并且对炬调整功率和/或气体流速以优先地从钻孔面的该区域移除材料。
因此，通过监测炬与钻孔面之间的单一相隔距离，系统100可以：追踪从钻孔面的材料移除速率；基于该移除速率调整目标相隔距离；以及对等离子体炬调整功率和气体流量以补偿该目标相隔距离，并因此维持从钻孔面的高移除速率。此外，通过监测系统100与钻孔面上的各区域之间的多个相隔距离，系统100可以：表征钻孔面的轮廓；调整目标相隔距离、功率和气体流速以维持钻孔的目标形状；检测钻孔面上的低屈服(或高弹性)区域；以及调整等离子体炬取向、目标相隔距离、功率和气体流速以优先从这样的低屈服区域移除材料。
方法S100、S200在本文中被描述为在横向钻孔操作期间由系统100执行。然而，系统100可以补充地或替代地在竖向和倾斜钻孔操作期间执行方法S100、S200的框。
总体上，系统100在用等离子体钻穿地下地质体时执行方法S100、S200的框，以避免熔化岩石(例如，产生熔岩)，而是维持弃土为带有裂片(例如，岩石薄片)的气体(例如，气态碳酸盐)形式，从而使得系统100内的弃土排出器能够将—从钻孔面移除的—弃土向后并抽吸出钻孔—从而在系统100与钻孔面之间具有有限的弃土截留并且沿着弃土排出器具有有限的弃土聚集(例如，由于熔融岩石或“熔渣”在弃土排出器内的较冷表面上的凝结)。补充地或替代地，系统100根据方法S100、S200的框来调节功率、气体流速和/或相隔距离，以便实现熔岩产生的目标速率(例如，目标熔岩体积产生速率)，例如在准备将熔岩施加到钻孔的表面以形成目标厚度和轮廓的熔岩管时。
特别地，各种地质体可以含有大比例的晶体(例如SiO2)，例如砂岩、花岗岩和玄武岩。例如，玄武岩通常含有按体积计的30-40％的SiO2，并且可能含有按体积计的多达80％的SiO2。SiO2具有相对较低的熔化温度。然而，SiO2的晶体结构可能在低于SiO2的熔化温度下分解。因此，系统100可以实施方法S100、S200的框，以将钻孔面处的材料的温度控制在接近SiO2的晶体分解温度—且低于SiO2的熔化温度—以便分解钻孔面上的材料的晶体结构，并因此在不使该材料熔化(或控制由系统100钻出的每单位距离的熔化材料的体积)的同时使该材料断裂(或崩解)。
更具体地，系统100执行方法S100、S200的框，以便在钻孔面处的岩石(和土壤等)熔化之前使这些材料断裂和崩解。通过使钻孔的面处的材料断裂而不是使该材料熔化，系统100可以以较少的热量移除较不复杂的弃土(例如，仅仅是气体和固体岩石裂片，而不是气体、裂片和熔岩)，这可以延长系统100的部件的操作寿命，减少钻出每单位距离(或体积)的能量消耗，并且通过提高系统100的效率和寿命而减少与钻孔操作相关联的总花费。
此外，使钻孔面处的材料断裂的有效性(例如，经由热冲击)可以随压力和热量而变。为了增加钻孔面处的压力，系统100可以：减小从等离子体炬到钻孔面的距离(以下称为“相隔距离”)和/或增加通过等离子体炬的气体流速；系统100还可以增加等离子体炬功率以补偿增加的气体流速。类似地，为了提高钻孔面处的温度，系统100可以：减小钻孔速度或增加停留时间；减小相隔距离；和/或增加炬功率和气体流速。
方法S100、S200在本文中被描述为由系统100执行以钻穿含有高比例的晶体(例如SiO2)的长英矿物地质体。然而，系统100可以补充地或替代地执行方法S100、S200的框，以钻穿岩浆的、非晶的和沉积的地质体，例如中间的、镁铁质的和超镁铁质的地质他；砂土、土壤、粉质砂土、粘土、鹅卵石、亚砂土等。
此外，方法S100、S200在本文中被描述为由系统100执行以经由剥落和气化(或蒸发)从钻孔面移除材料，同时最小化或消除钻孔面处的材料的熔化。然而，系统100可以补充地或替代地执行方法S100的框，以控制钻孔面处的材料的熔化速率或体积，例如以实现衬砌钻孔的壁的岩石的玻璃层的目标厚度。
3.2应用：喷气推力钻孔变化
总体上，系统100的喷气-推力型变型包括：底盘；推进子系统(例如，一组从动轮或履带)，其被配置为使底盘向前推进通过地下钻孔；以及完全被容纳的刀盘，其包括安装到底盘上的布雷顿(Brayton)循环涡轮喷气发动机(下文称为“发动机”)，该布雷顿循环涡轮喷气发动机被配置为在压缩机内压缩来自地上空气供应装置的新鲜空气，以将该压缩空气与来自地上燃料源的燃料混合，使该混合物燃烧，从这些燃烧产物中提取能量以驱动压缩机，并且朝向地下钻孔的面排出这些高温、高质量流速的排气。这些高温、高质量流速的排气—在射流冲击区域内到达钻孔面—可能会对钻孔面处的地质体进行热冲击，从而导致地质体的剥落和岩石裂片从钻孔面的移除。
此外，钻孔面处的玻璃化可以减少或抑制钻孔面处的热剥落，并因此产生每单位时间的岩石移除的减少以及系统100经由剥落对岩石移除所消耗的每单位能量的减少。因此，系统100还可以包括：温度传感器，其被配置为输出表示这些排气的温度的信号；以及控制器，其被配置为改变进入发动机的燃料流速(例如，“节流阀位置”)和/或发动机内的其他钻孔参数，以便将这些排气的温度保持在低于存在于该面处的所有地质体的最小熔化温度(例如，小于1400℃)或低于在钻孔面处检测到的特定地质体的熔化温度，以便防止钻孔面的表面的玻璃化，维持钻孔面上的剥落，并且维持每单位时间和系统100消耗的每单位能量的高体积的岩石移除。
特别地，系统100可以执行方法S100、S300的框以通过将高能(例如，高温和/或高质量流速)的排气流射向钻孔面来经由热剥落钻穿岩石。这些高能排气将热能快速地传递到钻孔面的表面中，从而导致钻孔面的表面处的薄岩石层的快速热膨胀。膨胀和局部应力沿着存在于岩石基质的微观结构中的自然不连续部和不均匀部发生，导致组成岩石基质的矿物的差异膨胀，进而沿着矿物颗粒和在矿物颗粒之间导致应力和应变。因为地质体通常是脆性的，所以钻孔面的表面处的岩石的快速热膨胀导致该薄的岩石热表面层从钻孔面后面的较冷的岩石断裂。因此，在该剥落过程期间，该薄的岩石热表面层可能会破碎成岩石碎片(或裂片)并与钻孔面的表面分离。钻孔面的表面处的断裂或微应力的诱导的机制可以基于经受这些排气影响的表面的矿物学、材料性质、化学性质和物理性质而在岩性上发生变化。
然而，如果到达钻孔面的排气的温度超过钻孔面的表面处的地质体的熔化温度，则钻孔面的表面可能会熔化并沿着钻孔面流动，而不是从钻孔面断裂和释放。熔融岩石可以：每单位质量吸收比剥落更多的能量；缓慢地沿着钻孔面流动，而不是像剥落那样从钻孔面的表面断裂和释放；并且将钻孔面上的非熔融材料(例如，直接在熔融材料区域后面或周围的材料)与发动机输出的排气所携带的能量热隔开。因此，相对于剥落，在钻孔面处的熔融岩石可能导致每单位时间从钻孔面移除的岩石的体积或质量以及由发动机消耗的每单位能量的立即减小，例如因为由发动机消耗的能量由此以改变钻孔面处的岩石相为目的，而不是从钻孔面顺序地使薄的岩石层断裂。
因此，系统100可以包括布雷顿循环涡轮喷气发动机—其出口喷嘴面向钻孔面—以产生高温排气并且以高体积流速引导这些排气，以便在钻孔面处维持高压和高总热通量并且实现从钻孔面的快速剥落和材料移除。系统100还可以实现闭环控制，以将这些排气的温度维持在低于所有地质体的熔化温度(例如，825℃，以补偿对于大多数地质体而言在900℃和1400℃之间的熔化温度)或低于在钻孔面处检测到的特定地质体。因此，在存在来自发动机的这些排气的情况下，在钻孔面处的地质体不太可能熔化。系统100还可以维持高质量流速，以便补偿低于熔化温度的排气温度，从而在钻孔面处产生高的热通量—并因此在钻孔面处产生高的岩石剥落速率—而在大范围的地质体上具有低的熔化钻孔面的风险。
此外，发动机可以接近供应的燃料(例如，液体柴油)中包含的能量的接近百分之百的向排气的热量和动能的转变，然后系统100将该排气射向钻孔面以剥落岩石。在一个示例实现方式中，发动机包括：燃烧燃料的燃烧器；涡轮，其将离开燃烧器的气体的压力和热能转换成驱动轴的机械旋转；以及集成的轴向压缩机，其由涡轮经由驱动轴提供动力以将空气吸入发动机中，压缩该空气，并将该空气输送到燃烧器中。
因此，发动机可能被完全容纳，并且可能不需要外部(即，地上)支撑系统或需要最小的外部(即，地上)支撑系统，以便穿过各种地质体钻出地下隧道。特别地，系统100可以仅连接到：空气供应装置，其将任何温度和湿度的新鲜的、未调节的地上空气输送到压缩机中；燃料供应装置，其将来自地上供应源(例如，燃料箱)的燃料输送到发动机内的燃料计量单元中；和/或经由低功率传感器和数据线的地上监测系统或远程控制件。
因此，在钻孔操作期间消耗的基本上所有能量都可由发动机在钻孔面处消耗以将燃料中的化学能转换成：钻孔面处的热量；在钻孔面处产生压力的排气的动能；离开钻孔面并将裂片向后抽吸到发动机后面的排气的动能；以及使涡轮和压缩机旋转的动能。特别地，因为压缩机和燃烧器完全集成到发动机中，并且因为发动机被配置为仅依赖(未调节的)空气和燃料供应装置运行，所以系统100可能要求没有能量或最少的能量被风扇、泵、冷却系统等消耗来为地上子系统提供动力和冷却地上子系统或将空气泵送到发动机。
因此，为了钻出地下隧道，系统100可能需要最小的设置时间和复杂性。例如，操作者可以：在隧道的开始处挖掘浅沟槽；将系统100放置到沟槽中；将从系统100向后延伸的燃料供应管线连接到地上燃料储存器(例如，移动式加燃料装备)；将空气供应管线的—从系统100向后延伸的—端部定位在不受阻碍的地上位置；并且例如用集成到系统100中的小型电动起动马达起动发动机。
发动机然后可以：经由空气供应管线将空气吸入压缩机中；在燃烧器中燃烧加压的空气和燃料；在涡轮处从所得排气中提取一些能量以为压缩机提供动力；并且以高质量流速朝向钻孔面喷射热气体，以从钻孔面剥落和移除材料。同时，推进子系统可以以与从钻孔面移除材料成比例的速率向前移动发动机，以便维持喷嘴与钻孔面之间的相隔距离。补充地或替代地，推进子系统可以基于从钻孔面的材料移除、离开喷嘴的排气的温度和速度、喷嘴在钻孔面上的光栅扫描(raster)速率和/或相隔距离来向前移动发动机，以便维持钻孔面上的一致的热通量。
因此，系统100可以执行方法S100、S300的框，以在没有实质性地上空气和动力支持系统的情况下从钻孔面移除材料，从而简化钻出地下隧道的系统100的设置和部署。
4.钻孔初始化
为了启动钻孔操作，将系统100定位在钻孔入口处。例如，对于横向钻孔操作，在钻孔的起始深度处并且以足以以横向取向容纳系统100的宽度和长度挖出(例如，手动地)地面开口(或“始发竖井(launch shaft)”)。在系统100位于钻孔入口处并且炬邻近钻孔面的情况下，控制器可以：实施下文描述的方法和技术以测量从炬到钻孔面的相隔距离；实施闭环控制以将炬驱动到标称相隔距离(例如，6”)；然后通过将炬跃立(ramp)到基线功率设置和基线气体流速来激活炬。
5.闭环控制
如下所述，在钻孔操作的各阶段期间，控制器180可以接收数据、监测传感器、测量参数、确定系统100的状态、计算校正、适应钻孔面200的几何形状的变化，并且将指令和方向传输到系统100的一个或多个部件、子系统、致动器或传感器，以便以自主的或基本上自主的方式改善或优化钻孔面200处的系统100性能(例如，钻孔速率)。
本文描述的闭环控制可以大体上应用于任何类型的非接触式钻孔元件130。在示例实现方式中，系统100可以包括非接触式钻孔元件130，其被配置为通过温度、压力、空气流量或其组合使材料从钻孔面200移位。在具体的示例实现方式中，非接触式钻孔元件130包括等离子体炬、包括布雷顿型喷气发动机的刀盘或火焰射流。然而，系统100可以替代地或补充地包括诱导非接触式钻孔元件130的任何其他的热和/或压力。
5.1相隔距离
在图2所示的一个实现方式中，系统100包括单个深度传感器190，其布置在靠近非接触式钻孔元件130的系统100的前导面附近，并且包括：接触探针192；线性致动器194，其被配置为使接触探针192朝向钻孔面200伸出和使接触探针192缩回，例如进入热屏蔽壳体；以及编码器或其他传感器，其被配置为追踪从系统100的前导面伸出的接触探针192的长度。
在该实现方式中，控制器180可间歇地触发深度传感器190以执行相隔测量循环，例如每分钟一次。在相隔测量循环期间，控制器180可以：引导线性致动器194将接触探针192伸出壳体；一旦致动器上的电阻(或从致动器汲取的电流)达到阈值电阻(或阈值失速电流)，就从传感器读取长度测量结果；将该长度测量结果返回到控制器180；并且触发线性致动器194将接触探针192缩回到壳体中。
此外，当接触探针192在相隔测量循环期间从深度传感器190壳体伸出时，控制器180可以调整非接触式钻孔元件130的钻孔参数(例如，空气流量、燃料流量、气体流量、电功率)，以便减小钻孔面200处的表面温度并因此减少接触探针192的热冲击和/或热引起的翘曲。一旦线性致动器194将接触探针192返回到壳体，控制器180可以随后通过增加钻孔面200处的表面温度来重新调整或修改非接触式钻孔元件130的钻孔参数以恢复钻孔。
当从深度传感器190接收到长度测量结果时，控制器180可以将该长度测量结果存储为当前相隔距离。控制器180还可以：基于非接触式钻孔元件升降装置170的当前纵向位置，计算升降装置复位距离；通过复位距离将非接触式钻孔元件升降装置170复位到原始位置；以及致动推进系统120以使系统100向前移动升降装置复位距离和当前相隔距离与当前目标相隔距离之间的差的总和，从而将非接触式钻孔元件130定位在目标相隔距离。
在另一个实现方式中，接触探针192可以被弹簧加载在线性致动器194上和/或深度传感器壳体被弹簧加载在底盘110上。在相隔测量循环期间，控制器180触发深度传感器190将接触探针192伸出到当前目标相隔距离。如果接触探针在该目标相隔距离处未能遇到阻力，则控制器180：将非接触式钻孔元件升降装置170缩回到原始位置；将推进系统120向前推进，直到接触探针192遇到阻力(即，接触钻孔面200)，从而将非接触式钻孔元件130设置在目标相隔距离；基于由非接触式钻孔元件升降装置170和推进系统120在钻孔内穿过的距离来记录自最后相隔测量循环以来的钻孔距离；然后触发深度传感器190以缩回接触探针192。
在该实现方式中，在记录相隔距离并且在相隔测量循环期间将非接触式钻孔元件130复位到目标相隔距离之后，控制器180可以：实施计算法定位技术以根据最后测量的相隔距离、与非接触式钻孔元件130相关联的钻孔参数来估计当前相隔距离；以及实施闭环控制以调整非接触式钻孔元件升降装置170位置和/或推进推进系统120以将估计的当前相隔距离维持在目标相隔距离。一旦由系统100完成的估计钻孔距离超过阈值距离(例如，一英寸)或在阈值持续时间之后，控制器180可触发下一个相隔测量循环。
例如，在相隔测量循环期间记录相隔距离之后，控制器180可以将该相隔长度测量结果与自先前的相隔测量循环起的非接触式钻孔元件升降装置170和推进系统120位置的改变量进行求和，以便计算当前和先前的相隔测量循环之间的钻孔间隔期间的总钻孔距离。在该示例中，控制器180还可以：在该钻孔间隔期间记录钻孔参数；并且基于在该钻孔间隔期间(以及在先前的钻孔间隔期间)收集的数据，计算或细化将作为时间的函数的线性钻孔距离与钻孔参数和相隔距离关联起来的相隔距离模型。然后，控制器180可以：实施计算法定位技术，以基于相隔距离模型、钻孔间隔期间的钻孔参数和最后测量的相隔距离来估计下一个钻孔间隔期间的线性钻孔距离；基于该线性钻孔距离重新估计相隔距离；并且在该钻孔间隔期间向前推进非接触式钻孔元件升降装置170和/或推进系统120，以便将非接触式钻孔元件130与钻孔面200之间的实际相隔距离保持在目标相隔距离。
如图4A和图4B所示，在示例实现方式的一个变型中，非接触式钻孔元件130是等离子体炬132。在该变型中，接触探针192可以被电隔离，并且系统100可以定期地或连续地从深度传感器190读取相隔距离。例如，接触探针192可以包括不锈钢或低合金钢轴，并且可以被驱动到参考电压—诸如与等离子体炬132中的阴极相同的电压或等离子体炬132中的阴极和阳极的平均电压—从而在接触探针192周围产生电场，该电场排斥在等离子体炬132和钻孔面200之间流动的带电的等离子体、气体和裂片。
因此，在该实现方式中，控制器180可以向前驱动接触探针192以维持与钻孔面200的连续或基本上连续的接触，并且控制器180可以基于由深度传感器190读取和输出的标准距离来向前驱动等离子体炬升降装置170和/或推进系统120以维持等离子体炬132与钻孔面200之间的目标相隔距离。
替代地，深度传感器190可以在操作期间(例如，沿着图4B所示的X轴)定期地或连续地使接触探针192前后振荡，例如：通过部分地缩回接触探针192以使接触探针192前面的钻孔面200处的岩石能够断裂和剥落，或者通过使接触探针192完全缩回到底盘110内的热屏蔽壳体中以使接触探针192能够冷却；然后使接触探针192向前推进并与钻孔面200接触。一旦接触探针192与钻孔面200接触，控制器180就可以如上所述确定或计算当前相隔距离。
控制器180还可以在与钻孔面200最后接触时基于测量的接触探针192的长度，定期地向前驱动等离子体炬170和/或推进系统120，以维持等离子体炬130与钻孔面200之间的目标相隔距离。此外，控制器180可以实施计算法定位技术以估计当前相隔距离，调整等离子体炬升降装置170位置和/或推进推进系统120以将该估计的当前相隔距离维持在目标相隔距离，并且在用接触探针192的连续相隔距离测量之间的时间间隔中对等离子体炬132调整诸如电功率和气体流速的钻孔参数。
在示例实现方式的另一个变型中，系统100包括多个基于接触的深度传感器190，每个基于接触的深度传感器被配置为从系统100的前导面延伸并测量从其在系统100的前导面上的位置到钻孔面上的对应位置的距离。
在一个实现方式中，系统100包括围绕系统100的前导面的周边成图案布置的一组基于接触的深度传感器190。该组基于接触的深度传感器190可以包括两个或更多个深度传感器190，它们被布置为使得它们配合以确定到钻孔面200的深度范围，控制器180可以根据该深度范围估计或内插钻孔面200的形貌。例如，一组三个、四个、五个、六个等基于接触的深度传感器190可以围绕系统100的前导面对称地或不对称地布置，以提供沿着钻孔面200的三个、四个、五个、六个等深度测量点，控制器180可以根据该深度测量点确定钻孔面200的广义形貌，并且基于该深度测量点，控制器180可以实现闭环控制以管理和优化系统性能。
在示例实现方式的该变型中，系统100实施上述的方法和技术，以定期或间歇地测量从每个基于接触的深度传感器190到钻孔面200的距离。然后，控制器180：识别指示到钻孔面200的最短距离的特定接触探针192，该最短距离通常可以表示钻孔面200处的低屈服(或最有弹性)区域的位置；并且将等离子体炬升降装置170和/或推进系统120朝向钻孔面200向前推进，以便将特定接触探针192与钻孔面200的对应的低屈服区域之间的相隔距离设置为目标相隔距离。
如图4B所示，控制器180还可以使等离子体炬升降装置170在深度传感器190的方向上倾斜(例如，纵倾(pitch)、横倾(yaw))，例如倾斜与由该组深度传感器190测量的最短间隔距离300和最长间隔距离302之间的差成比例的角距离。在等离子体炬132的轴线现在被定向为更靠近钻孔面处的低屈服区域的情况下，系统100可以优先地加热钻孔面200的该低屈服区域并使其断裂。控制器180还可以：实施计算法定位以预测从钻孔面200的材料移除，例如如上所述；并且在控制器180预测从钻孔面200处的低屈服区域移除材料并使钻孔面200变平坦或平滑时，将等离子体炬132转变回到其与钻孔同轴的居中位置。
在类似的实现方式中，在测量每个深度传感器190处的相隔距离之后，控制器180可以：基于这些间隔测量结果和这些深度传感器190在系统100的前导面上的已知位置，在钻孔的周边周围内插深度轮廓。通常，给定系统100相对于钻孔面200的当前位置，深度轮廓的最浅区段表示钻孔面200处的低屈服区域并且深度轮廓的最深区段表示钻孔面200处的最高屈服区域。因此，给定等离子体炬132的当前操作参数，控制器180可以：使等离子体炬132在深度轮廓的最浅区段的方向上倾斜，例如倾斜与深度轮廓中的最浅区段和最深区段之间的距离成比例的或与深度轮廓中的最浅区段与标称钻孔面平面之间的距离成比例的角距离；并且继续或恢复等离子体炬132的致动，其中等离子体炬132的轴线现在朝向钻孔面200处的低屈服区域定向，以便优先地加热钻孔面200的该低屈服区域并使其断裂。为了集中于该低屈服区域中的材料移除，控制器180还可以减小目标相隔距离；对等离子体炬132维持(或增加)气体流速和/或功率，以便在增加钻孔面200的该低屈服区域处的压力的同时，防止该低屈服区域处的材料熔化。然后，控制器180可以实施计算法定位以预测从钻孔面的材料移除和/或直接测量钻孔轮廓的变化，如上所述。在控制器180预测或测量到从该低屈服区域朝向标称钻孔面形状的材料移除时，控制器180可以使等离子体炬132朝向深度轮廓中的下一个最浅区段倾斜，并且重复前述过程以将钻孔面200调平至标称钻孔面形状，之后将等离子体炬132重新定心到零度纵倾和横倾位置并恢复平行于钻孔的轴线的纵向钻孔。
因此，在该变型中，系统100可以将炬扫描到相对于钻孔的纵向轴线的不同的角位置，以基于从系统100的前端到钻孔面200的周边的相隔距离来选择性地增加从钻孔面200的低屈服区域的材料移除。
在类似的变型中，系统100还包括从外部一组基于接触的深度传感器190插入的中心的基于接触的深度传感器190，例如布置在系统100的前导面的轴向中心附近。因此，控制器180可以将来自中心深度传感器190的相隔测量与来自所述一组周边深度传感器190的同时发生的相隔测量融合，以在钻孔面200上内插钻孔轮廓。
例如，在钻孔轮廓表示从钻孔面200的周边到钻孔面200的中心的梯度小于目标深度范围时(即，在钻孔面过于平坦时)，控制器180可以预测该钻孔尺寸过大。因此，控制器180可以：减小从中心的深度传感器190到钻孔面200的中心的目标相隔距离，以减少钻孔周边的材料热移除；并且对等离子体炬132减小功率，以便在给定该减小的目标相隔距离的情况下防止在钻孔面200的中心附近的熔化。在该示例中，控制器180可以补充地或替代地增加推进系统120和/或等离子体炬升降装置170的推进速度，例如响应于与钻孔面上的浅梯度同时地计算出高移除速率。
相反，在从钻孔面200的周边到钻孔面200的中心的梯度大于目标深度范围(即，钻孔面200过于圆锥形)时，控制器180可以预测该钻孔的尺寸不足并且因此对于系统100来说太窄而不能推进。因此，控制器180可以增加目标偏移距离、功率和气体流速，以便在钻孔周边实现更大的压力和能量。在该示例中，控制器180可以补充地或替代地减小推进系统120和/或等离子体炬升降装置170的推进速度，例如响应于与钻孔面200上的陡梯度同时地计算出低移除速率(如下所述)。
因此，在该变型中，系统100可以将等离子体炬132对钻孔面200上的不同位置(例如，沿着Z轴的纵倾、横倾、升高、沿着Y轴的平移)进行扫描或光栅扫描，以便基于从系统100的前端与钻孔面200上的多个位置之间的相隔距离导出的钻孔面200的轮廓来选择性地增加从钻孔面200的低屈服区域的材料移除。
在图2所示的示例实现方式的另一个变型中，系统100包括一个或多个单点非接触式深度传感器190。
在一个实现方式中，系统100包含：热屏蔽传感器壳体；跨越挡板壳体中的开口布置的热屏蔽挡板；以及在壳体中布置在挡板后面的单点深度传感器190，例如基于雷达的深度传感器(例如，毫米波雷达传感器)、红外传感器、超声波传感器、激光(例如，LIDAR、飞行时间)传感器等。
在整个操作中，控制器180可以：打开挡板；对深度传感器190进行采样，以捕获钻孔面200上的某个点处的深度测量结果；然后关闭挡板以保护深度传感器190免受过量热量的影响。例如，控制器180可以间歇地触发深度传感器190以执行相隔测量循环，例如如上所述的每分钟一次。
替代地，系统100可以包括在传感器壳体内的温度传感器。在操作期间，控制器180可以：定期地对该温度传感器进行采样；在壳体中的温度低于操作温度范围时，打开挡板并从深度传感器190读取相隔测量结果；以及在壳体中的温度高于操作温度范围时，关闭挡板并停止相隔测量。
在该变型中，系统100可以实施上述的方法和技术，以基于深度传感器190的输出来验证从非接触式钻孔元件130到钻孔面200的相隔距离，并且相应地重新定位非接触式钻孔元件升降装置170和/或推进系统120以维持目标相隔距离。
在该变型中，系统100还可以：包括多个单点非接触式深度传感器190；实施上述的方法和技术以计算钻孔周边或钻孔面轮廓；然后实施本文所述的方法和技术以根据该钻孔周边或钻孔面轮廓来调整非接触式钻孔元件130的取向和相关联的钻孔参数。
在示例实现方式的另一个变型中，系统100包括：热屏蔽传感器壳体；跨越挡板壳体中的开口布置的热屏蔽挡板；以及在壳体中布置在挡板后面的多点深度传感器190，例如基于雷达的深度传感器190(例如，多点毫米波雷达传感器)、2D深度相机或3D LIDAR相机。在该实现方式中，控制器180可以：在相隔测量循环期间打开挡板并对深度传感器190进行采样；在此相隔测量循环期间从深度传感器190的输出导出钻孔面轮廓；并且相应地调整系统100的操作，如上所述。
例如，控制器180可以：直接根据深度传感器190的包括多个深度测量结果的输出将钻孔面200的3D轮廓直接内插到钻孔面200上的多个点；使非接触式钻孔元件130在对应于表示在该钻孔面轮廓中的最浅区域的取向上倾斜，从而使非接触式钻孔元件130更靠近钻孔面200处的对应的低屈服区域；与从该低屈服区域到钻孔的中心的梯度成比例地减小在钻孔面的该低屈服区域处的目标相隔距离；以及调整非接触式钻孔元件130的钻孔参数，以便防止在钻孔面200的该低屈服区域的材料熔化。
在示例实现方式的该变型中，控制器180可以：在从钻孔面200的该低屈服区域移除材料的同时，继续对深度传感器190进行采样，例如间歇地或连续地；相应地重新计算钻孔面轮廓；并且重新定向非接触式钻孔元件130以与在由控制器180由此计算出的每个后续钻孔面轮廓中检测到的最低屈服区域对准。特别地，随着钻孔面轮廓上的梯度减小，控制器180可使非接触式钻孔元件130的纵向轴线与钻孔的纵向轴线重新对中，增加相隔距离，并且调整非接触式钻孔元件130的钻孔参数，以便实现钻孔面200上的材料的更均匀的断裂、气化、剥落和总体移除。
在示例实现方式的其他变型中，系统100可以包括一组深度传感器190，该组深度传感器包括接触式传感器和非接触式传感器的组合。此外，在示例实现方式的其他变型中，系统可以包括非接触式深度传感器190，非接触式深度传感器190包括子部件或功能(例如，与LIDAR测距仪配对的光学相机)，以提供关于钻孔面200的温度分布或拓扑轮廓的光学或拓扑数据，如下面更详细的描述。
5.2闭环控制：温度控制
如图6所示，在示例实现方式的一个变型中，非接触式钻孔元件130包括具有布雷顿型涡轮喷气发动机的刀盘140。在示例实现方式的该变型中，控制器180可以采用闭环控制来维持对准钻孔面200的排气220的目标温度。替代地，本文所述的闭环温度控制可应用于其它类型的非接触式钻孔元件130，包括一个或多个等离子体炬132和/或火焰射流。
如图6所示，系统100的该变型可以包括：控制器180；布置在喷嘴160的出口附近(例如，在喷嘴160的出口附近或在喷嘴160与钻孔面200之间)的温度传感器156(例如，热电偶)；以及被配置为调整喷射到火焰管中的燃料的速率的燃料计量单元146。总体上，在操作期间，控制器180可以：基于温度传感器156输出的信号来追踪离开喷嘴140的排气220的温度；并且经由燃料计量单元146—调节进入燃烧器144的燃料的速率—以将离开喷嘴140的排气220的温度维持在低于所有地质体的熔化温度或低于在钻孔面200处预测或检测到的特定地质体的熔化温度。
特别地，控制器180可以：设置目标排气温度，例如如下所述；对温度传感器156进行采样以追踪离开喷嘴140的排气220的温度；然后实施闭环控制以在这些排气220的温度小于目标温度的情况下，调整燃料计量单元156增加喷射到燃烧器144中的燃料的速率；并且在排气220的温度大于目标温度的情况下，调整燃料计量单元146减小喷射到燃烧器144中的燃料的速率。例如，控制器180可以：以10Hz的频率读取排气220的温度；然后计算这些温度的平均值并基于该平均温度以1Hz的频率更新燃料流速。
在示例实现方式的一个变型中，系统100还包括空气计量单元148，该空气计量单元148被配置为改变进入燃烧器144的主区的压缩空气的第一部分与进入燃烧器144的稀释区的压缩空气的第二部分的稀释比。
在一个实现方式中，空气计量单元148包括套筒150，该套筒150被配置为在沿着燃烧器144的一系列位置上滑动，这些位置例如包括：1:0稀释比位置，其中套筒150完全暴露燃烧器144中的第一组穿孔并且完全封闭燃烧器144中的第二组穿孔；2:1稀释比位置，其中套筒150主要暴露燃烧器144中的第一组穿孔并且主要封闭燃烧器144中的第二组穿孔；1:1稀释比位置，其中套筒150类似地暴露燃烧器144中的第一组穿孔和第二组穿孔；以及1:2稀释比位置，其中套筒150主要封闭燃烧器144中的第一组穿孔并且主要暴露燃烧器144中的第二组穿孔。
在示例实现方式的该变型中，空气计量单元148还可以包括被配置为使套筒150沿着该一系列位置转变的致动器152。因此，在操作期间，控制器180可以设置例如下面描述的目标排气温度，检测离开喷嘴140的排气220的温度，并且实施闭环控制以：在排气220的温度小于目标温度时，调整空气计量单元148以增加稀释比—并且相应地增加燃料流速以维持目标空气-燃料比；并且在排气220的温度大于目标温度时，调整空气计量单元148以减小稀释比—并且相应地减小燃料流速以维持目标空气-燃料比。
总体上，控制器180可以：基于标称钻孔地质体或基于实时钻孔特性来设置目标排气温度；然后，实施闭环控制以基于离开喷嘴140的排气220的测量温度与目标温度之间的差来调整燃烧器144内的燃料流速和/或稀释比。
例如，在前述实现方式中，控制器可以设置和实现825℃—即小于大多数地质体的最小熔化温度—的固定目标排气温度。
控制器180还可以定期地实施温度测试循环，包括：增加目标排气温度；调整燃料流速和/或稀释比以实现该排气温度；如上所述测量相隔距离；以及计算当前钻孔速率并重复该温度测试循环。在当前钻孔速率大于在较低目标温度下的先前钻孔速率时(例如，在钻孔面处的材料现在以较大速率从钻孔面剥落和释放时)，控制器180可以进一步增加目标排气温度并重复该过程。然而，在当前钻孔速率小于在较低目标温度下的先前钻孔速率时(例如，在钻孔面处的材料现在熔化而不是剥落时)，控制器180可以降低目标排气温度并重复该温度测试循环。因此，在该示例中，控制器180可以基于实时钻孔速率来调整目标排气温度，例如包括：增加目标排气温度以维持较硬的地质体的高的热冲击和剥落；以及降低目标排气温度以防止较软的地质体的熔化，从而将排气温度维持在高于表面的平均剥落温度且低于表面上的任何点的最小熔化温度，并且因此使从钻孔面200的材料移除最大化。
5.3.闭环控制：移除速率
系统100可以补充地或替代地计算移除速率并基于该移除速率与目标移除速率(或目标移除速率范围)之间的差来调整功率、气体流速和/或目标相隔距离等。特别地，控制器180可以实施闭环控制以调节如上所述的相隔距离、非接触式钻孔元件取向和钻孔参数，以便在保持从钻孔的最小移除速率(或通过钻孔的最小推进)的同时不熔化的情况下保持钻孔面200处的岩石的均匀断裂和剥落。
例如，在等离子体炬132配置中，对等离子体炬132增加功率可以支持通过等离子体炬132的更大的气体流速，并且因此支持在钻孔面200处更大的压力和更大的移除速率。然而，通过等离子体炬132的更大的功率和气体流速可以：非线性地降低等离子体炬132部件的操作寿命；减少用这些等离子体炬132部件的总钻孔体积移除；需要系统100更频繁地从钻孔撤回以进行维护；需要更大的功率和气体供应；并且降低系统100的总体操作效率。
类似地，在喷气发动机刀盘配置140中，增加空气流量、燃料流量和后燃烧器的使用可增加钻孔面200处的温度和压力，从而产生暂时较高的移除速率。然而，用于刀盘140的完全燃烧方案还可以：在钻孔面200处产生导致材料熔化的温度尖峰；产生阻止系统100进一步通过钻孔的大的剥落碎片；引起刀盘140部件增加的磨损和更换率；并且大大增加系统100的操作成本，同时降低系统100的总体操作效率。因此，控制器180可实施闭环控制以调整系统100的操作参数，以维持从钻孔的最小移除速率和高的总体操作效率。
在包括一个单点深度传感器190的系统100的变型中，控制器180实施上述的方法和技术，以通过以下方式来计算钻孔面200的推进速率：对在时间间隔内(例如，在两个相隔测量循环之间)的相隔测量结果、非接触式钻孔元件升降装置170推进和底盘110推进的变化求和；并且将该和除以该时间间隔的持续时间。然后，控制器180可以通过将推进速率乘以钻孔的标称或目标横截面积来计算从钻孔面200的移除速率(例如，材料体积)。
替代地，在包括多个单点深度传感器190和/或多点深度传感器190的系统100的变型中，控制器180可以：实施上述的方法和技术，以在连续的相隔测量循环期间计算钻孔面轮廓；基于在这些相隔测量循环之间的时间间隔内的相隔测量结果、非接触式钻孔元件升降装置170推进和底盘110推进的变化的总和来计算两个连续的钻孔面轮廓之间的偏移距离；基于该偏移距离计算这些钻孔面轮廓之间的体积；然后通过将该体积除以该时间间隔的持续时间来计算该在时间间隔内的移除速率。
在该变型中，控制器180可以访问钻孔的单个目标移除速率，然后实施闭环控制以基于该目标移除速率来调整钻孔参数，包括电功率、气体流速、燃料流速、空气流速、排气温度和/或目标相隔距离。
替代地，操作者可以：在钻孔的目标深度处并且沿着钻孔的规划路径间隔地聚集岩芯样品；处理这些岩芯样品以沿着规划路径导出地质体；并且基于这些地质体生成目标移除速率预定计划。例如，操作者可以在目标移除速率预定计划中指定：沿着规划路径的由松散土壤表征的区段的高的目标移除速率；沿着规划路径的由砂岩表征的区段的中等到高的目标移除速率；沿着规划路径的由石灰石表征的区段的中等的目标移除速率；以及沿着规划路径的由花岗岩表征的区段的低的目标移除速率。
因此，在操作期间，控制器180可以：沿着钻孔的规划路径追踪其位置；查询目标移除速率预定计划以获得在当前被系统100占据的钻孔区段处的目标移除速率；然后加载该目标移除速率。
在操作期间，控制器180可以将当前移除速率与目标移除速率进行比较，并且基于该差异来调整钻孔参数。
特别地，移除速率降低到低于目标移除速率可能由以下情况引起：在钻孔面200处的岩石熔化，而不是钻孔面200的断裂和剥落；或者钻孔面处的地质体的变化(例如，变成具有较少SiO2的材料)。如果是前者，控制器180可以调整钻孔参数，例如通过在等离子体炬132配置中减小功率和气体流速和/或增加相隔距离，以便减少钻孔面处的熔化。如果是后者，控制器180可以调整钻孔参数，例如通过在等离子体炬132配置中增加功率和气体流速和/或减小相隔距离，以便增加钻孔面200处的压力并因此增加钻孔面200处的断裂和剥落。在刀盘140配置中，控制器180可以类似地调整钻孔参数，例如燃料流速、空气流速、排气温度和/或相隔距离，以减小或增加钻孔面200处的压力和/或温度以适应改变的地质体。
在一个示例实现方式中，在当前移除速率小于目标移除速率时，控制器180可以在第一时间间隔内保持其他钻孔参数的同时，首先增加目标相隔距离(例如，增加.500”的步长宽度)，并且因此缩回非接触式钻孔元件升降装置170。然后，控制器180可以执行相隔测量循环并重新计算从钻孔面200的移除速率。在该移除速率已经增加时，控制器180可以进一步增加目标相隔距离，相应地缩回非接触式钻孔元件升降装置170(例如，缩回.500”的额外的步长宽度)，并且重新测试当前移除速率。控制器180可以重复该过程，直到移除速率减小或减小到低于移除速率的阈值变化，此时控制器180可以减小目标相隔距离，推进非接触式钻孔元件升降装置170，并且实施类似的方法和技术以测试调整后的钻孔参数对移除速率的影响。
因此，在该实现方式中，由于钻孔面200w的熔化，控制器180可以首先增加目标相隔距离，以便抢先减小移除速率。如果非接触式钻孔元件130与钻孔面200之间的相隔距离的增加增加了移除速率，则控制器180可以验证移除速率的降低是由于钻孔面200处的材料的熔化引起的，并且迭代地增加相隔距离，以便在增加任何钻孔参数(将导致进一步的材料熔化)之前进一步增加移除速率并且进一步减少钻孔面200处的熔化。
然而，如果增加相隔距离减小或未能影响移除速率，则控制器180可预测移除速率的减小是由于钻孔面200处的地质体的变化引起的。因此，控制器200可以减小目标相隔距离，根据需要调整钻孔参数，以便增加钻孔面200处的压力。例如，控制器可以迭代地减小相隔距离，执行相隔测量循环，重新计算移除速率，并且验证响应于相隔距离的减小的移除速率的增加。在验证响应于相隔距离的减小的移除速率的增加时，控制器可以：迭代地调整钻孔参数以增加钻孔面200处的压力；重新计算移除速率；然后一旦钻孔面200处的压力的任何进一步增加导致移除速率的减小，则重新调整或维持钻孔参数。
因此，在该实现方式中，控制器180可以：首先响应于移除速率的降低而增加目标相隔距离；验证该目标相隔距离的增加提高了移除速率；然后在验证增加目标相隔距离未能提高移除速率时，仅减小目标相隔距离，从而抢先钻孔面200的进一步熔化以及熔渣在钻孔内和沿着排出系统的产生。
补充地或替代地，控制器180可以实施类似的方法和技术以：首先响应于移除速率的减小而调整钻孔参数以减小钻孔面200处的压力，验证调整后的钻孔参数提高了移除速率；然后在验证钻孔面200处的压力的先前减小未能提高移除速率时，仅重新调整或维持钻孔参数以增加钻孔面200处的压力，从而抢先钻孔面200的进一步熔化和熔渣在钻孔内和沿着排出系统的产生。
5.4闭环控制：钻孔面表征
在图6所示的示例实现方式的另一个变型中，系统100包括光学传感器164，该光学传感器164指向钻孔面200并且被配置为输出钻孔面200处的射流冲击区域的图像(例如，彩色图像、红外图像)。在该示例中，控制器180：访问由光学传感器164捕获的钻孔面200的图像；并且扫描图像以寻找指示钻孔面200处的熔融材料的“亮的”(即，高强度、高颜色值)像素。如果控制器180因此在图像中检测到“亮的”区域，从而指示钻孔面200处的熔融材料，则控制器180可以降低目标排气温度。相反，如果控制器180在图像中没有检测到“亮的”区域，从而指示在钻孔面200处没有熔融材料，则控制器180可以增加目标排气温度。然后，控制器180可以调整燃烧器144处的燃料流速和/或稀释比，以实现该更新的目标排气温度。控制器180可以定期地重复该过程，例如以1Hz的频率。
在前述示例中，控制器180可以实现类似的方法和技术，以基于由光学传感器捕获的图像来检测钻孔面200上的较高温度的—但尚未熔融的—区域(例如，“热点”)并且相应地更新目标排气温度。
总体上，光学传感器164被配置为在非接触式钻孔期间检测在钻孔面200处或附近发射的光子的频率和幅度，并且将检测到的频率和幅度转换成钻孔面200的图像。在一个实现方式中，光学传感器164可以从标称相隔距离扫描在非接触热冲击点处或附近的钻孔面200。替代地，光学传感器164可以实施钻孔面200的全面静态扫描，以检测由非接触式钻孔元件130冲击之后发射的光子。在另一个替代实现方式中，光学传感器164可以遵循非接触式钻孔元件子组件的光栅扫描图案，例如通过附接于非接触式钻孔元件升降装置170或与非接触式钻孔元件升降装置170一致地移动。在示例实现方式的变型中，光学传感器164可以与光源(未被示出)配对，以在钻孔面200的光学扫描期间照亮钻孔面200。
在一个实现方式中，光学传感器164可以使用红绿蓝(RGB)相机检测器来检测和解释在钻孔面处发射和/或反射的光子。使用RGB相机检测器，光学传感器164可以生成并存储在RGB视图中的表示钻孔面200处的光子发射和/或反射的二维图像。在另一个实现方式中，光学传感器164可以使用青色-品红色-黄色-黑色(CMYK)相机检测器来检测和解释在钻孔面处发射和/或反射的光子。使用CMYK相机检测器，光学传感器164可以生成并存储在CMYK视图中的表示钻孔面200处的光子发射和/或反射的二维图像。在另一个实现方式中，光学传感器164可以使用红外(近红外或远红外)相机检测器来检测和解释在钻孔面处发射和/或反射的光子。使用红外相机系统，光学传感器164可以生成并存储钻孔面150在红外视图中的二维图像。
在另一个变型中，光学传感器164包括RGB、CMYK、红外、多光谱和高光谱检测器的组合，以在钻孔过程期间并行或串行使用。例如，系统可以将RGB相机检测器与高光谱成像器结合或依次使用，以获得钻孔面200的可见光和不可见光的描绘。然后，控制器180可以将相应的图像融合或集成到指示钻孔面200的当前温度分布或接近钻孔面200的当前的温度分布的更完整的光谱视图中。
补充地或替代地，系统100可以：实现物体追踪技术以基于在由光学传感器164捕获的一系列图像中检测到的特征来检测和追踪离开钻孔面的材料；并且基于在这些图像中被识别为裂片的像素的颜色、亮度和/或强度来估计该材料的温度或相位。如果没有检测到离开钻孔面200的熔融材料，则控制器180可以提高目标排气温度；或者相反地，如果检测到离开钻孔面200的熔融材料，则控制器180可以降低目标排气温度。控制器180可以基于由与控制器180通信的传感器或检测器检测或追踪的任何其他实时或近实时钻孔特性来调整目标排气温度。
6.示例配置
通常，本文描述的技术和方法可以应用于任何类型或模态的非接触式钻孔，包括但不限于：等离子体炬、喷气发动机推力、火焰射流、声能、电磁辐射(例如，激光、毫米波定向能量)或它们的组合或子组合。因此，以下示例实现方式应当被理解为对非接触式钻孔元件的其他类型或模态的适用性是非限制性的。
6.1示例：等离子体炬系统
在图4A和图4B所示的系统100的一个变型中，系统100可以包括：底盘110；推进系统120，该推进系统120与底盘110一起布置为使底盘110在朝向钻孔面200的第一方向上推进和使底盘110在远离钻孔面200的第二方向上缩回；等离子体炬132，该等离子体炬132与电源134和气体供应装置136连接；以及等离子体炬升降装置170，该等离子体炬升降装置170将等离子体炬132连接到底盘110。如图4A和图4B所示，等离子体炬升降装置170可以被配置为沿着至少五个自由度定位等离子体炬132。等离子体炬升降装置170可以被配置为：将等离子体炬132定位在底盘110上；使等离子体炬132沿着基本上平行于第一方向和第二方向的纵向轴线(X轴)沿着底盘110推进和缩回；使等离子体炬132沿着相对于纵向轴线的纵倾角和相对于纵向轴线的横倾角倾斜；使等离子体炬132沿着基本上垂直于纵向轴线的竖向轴线(Z轴)竖向地提升或喘振；并且使等离子体炬132沿着基本上垂直于纵向轴线和竖向轴线的横向轴线(Y轴)横向地移动或波动(heave)。
如图2、图4A和图4B所示，系统100还可以包括深度传感器190，该深度传感器190被配置为测量底盘110与钻孔面200之间的相隔距离；以及弃土排出器，该弃土排出器被配置为将废物从底盘110和钻孔面200之间的第一位置抽吸到第二位置。在示例性实现方式的该变型中，系统100还可以包括控制器180，该控制器180与推进系统120、等离子体炬132、等离子体炬升降装置170和深度传感器190连接，并且被配置为响应于深度传感器190测量到底盘110与钻孔面200之间的相隔距离而驱动推进系统120、等离子体炬132、等离子体炬升降装置170和深度传感器190。总体上，控制器180可以实现上述类型的闭环控制(例如，相隔距离、温度控制、移除速率、钻孔面表征)以通过自主或半自主的方式管理和引导系统100，以实现从钻孔面200高效地移除材料。
在等离子体炬132示例实现方式的一个变型中，系统100包括多个等离子体炬132，例如它们以阵列布置在系统100的前端上。例如，系统100可以包括：主要中心等离子体炬132；以及一组辅助等离子体炬132，例如以围绕主要中心炬的对称或不对称的图案布置的三个、五个或七个炬。
在该变型中，控制器180可以实施上述的方法和技术，以基于布置在系统100的前端上的一个或多个单点或多点深度传感器190的输出来监测到钻孔面200的相隔距离、钻孔面200的周边轮廓和/或钻孔面200的面轮廓。另外，控制器180可以实施上述的附加方法和技术以表征和解释钻孔面200的温度分布；并且致动和引导等离子体炬组中的一个或多个以在钻孔面200处维持期望的温度(例如，足以产生裂片，不足以产生熔融材料)。另外，控制器180可实施上述的附加方法及技术以维持目标移除速率，自主地适应所计算的移除速率的变化，并且沿着其钻孔路径与目标移除速率一致地自主地驱动系统100或使系统100转向。
在该变型中，控制器180还可以实施方法S100的框，以基于相隔距离、移除速率、温度分布和钻孔面200的轮廓度量来对该组中的各个炬调整功率和气体流速。例如，控制器180可以替代地增加最靠近在钻孔面200处检测到的低屈服区域的特定炬(或炬的子组)的功率和气体流速通量来破坏钻孔面200的该低屈服区域，而不是如上所述使单个炬朝向该低屈服区域倾斜来增加该区域中的热和材料移除。
在该变型中，每个等离子体炬132也可以安装到独立被致动的等离子体炬升降装置170上。因此，控制器180可以：导出钻孔面的面轮廓或周边轮廓，如上所述；基于钻孔面200的最后(或估计的)面轮廓或周边轮廓来独立地致动等离子体炬170以将每个等离子体炬132设置在其分配的相隔距离处；并且基于从钻孔面200的对应区域的材料移除速率或检测到的温度来独立地调整这些等离子体炬132的目标相隔距离。
6.2示例：喷气发动机刀盘变型
在图6所示的系统100的另一个变型中，系统100可以包括底盘110和刀盘140，刀盘140包括：压缩机142，其配置为压缩从地上新鲜空气供应装置进入的空气；燃烧器144，其配置为将离开压缩机142的压缩空气与从地上燃料供应装置进入的燃料混合并点燃燃料；涡轮154，其配置为从离开燃烧器144的燃烧的燃料和压缩空气提取能量以使压缩机142旋转；以及喷嘴160，其被配置为引导离开涡轮154的排气220以在钻孔面200处引起射流冲击区域。如图6所示，系统100还可以包括：刀盘升降装置170，其与刀盘130连接并且被配置为相对于钻孔面200定位刀盘130；温度传感器156；以及控制器180，其与刀盘130、温度传感器156和刀盘升降装置170连接。在示例实现方式的系统100的该变型中，控制器180可以被配置为：基于温度传感器156输出的信号来追踪离开喷嘴160的排气220的温度；以及调节进入燃烧器144的燃料的速率以将离开喷嘴160的排气220的温度维持在低于钻孔中存在的地质体的熔化温度且高于该地质体的剥落温度。如图2和图6所示，系统100还可以包括推进系统120，推进系统120与控制器180连接并且与底盘110一起布置为使底盘110在朝向钻孔面200的第一方向上推进和使底盘110在远离钻孔面200的第二方向上缩回。
系统100包括或联接到燃料供应管线。在一个实现方式中，燃料供应管线包括热屏蔽的柔性燃料管线，其与地上燃料储存器(例如，移动式柴油燃料箱)连接，延伸穿过隧道，并且与刀盘140连接以在操作期间将燃料供应到刀盘140。
系统100还可以包括燃料泵(未被示出)，该燃料泵被集成到刀盘140中并被配置为通过燃料供应管线从地上燃料储存器抽吸燃料并维持刀盘140内的最小燃料压力。例如，系统100可以包括由来自涡轮154的动力输出驱动的机械燃料泵。替代地，系统100可以包括：电动燃料泵；以及发电机(或以发电机模式操作的电动起动马达)，该发动机由来自涡轮154的动力输出驱动并且向电动燃料泵供电以从地上燃料储存器抽吸燃料。
补充地或替代地，地上燃料储存器可以包括经由燃料供应管线朝向发动机推动燃料的燃料泵。此外，系统100可以包括一系列直列式燃料泵，这些直列式燃料泵沿着燃料供应管线布置并且被配置为提升燃料压力并且维持沿着燃料供应管线的燃料流动，例如在延伸的隧道钻孔长度(例如，几十、数百英尺)上。
此外，当燃料供应管线从地上燃料储存器沿着隧道行进到刀盘140时，燃料供应管线可能会被离开钻孔面200、围绕刀盘140并且朝向刀盘140后面的隧道开口向后穿过隧道的排气加热。因此，通过燃料供应管线移动的燃料可能会在其通向刀盘140的途中被这些排气加热，并且因此可能会从这些排气再捕获一些热能并将该热能返回到刀盘140，然后，刀盘140将该再循环的热量—与来自燃烧该燃料的额外热量—改道返回到钻孔面200。
系统100还包括或联接到新鲜空气供应管线(或“软管”)，该新鲜空气供应管线包括地面上方的入口，穿过刀盘140后面的隧道，连接到刀盘140的入口，并且在操作期间向压缩机142供应新鲜空气(或“工作流体”)。特别地，空气供应管线将来自地面上方的新鲜空气输送到刀盘140，然后，刀盘140在压缩机142中压缩该新鲜空气，将该压缩的新鲜空气与经由燃料供应管线接收的燃料混合，在燃烧器144中点燃该空气-燃料混合物，经由涡轮154从燃烧的和膨胀的排气提取一些能量以使压缩机142旋转，然后将这些高温、高质量流速的排气220朝向钻孔面200释放，以从钻孔面200剥落和移除材料。
例如，空气供应管线可以包括：柔性管道软管；以及热屏蔽件，该热屏蔽件在柔性管道软管的紧跟在刀盘140后面的第一区段(例如，紧接在发动机后面的空气管线的十英尺区段)上并且被配置为保护柔性管道软管免受高温排气220和离开钻孔面和围绕刀盘140的裂片的影响。在该示例中，空气供应管线还可以排除在柔性管道软管的其余部分上的热屏蔽件。因此，柔性管道软管的该第二区段可能会被在发动机后面并且围绕柔性管道软管移动的排气220加热。因此，移动通过管道软管的新鲜空气可能会在其通向刀盘140的途中被这些排气220加热，并且因此可能会从这些排气220再捕获一些热能并将该热能返回到刀盘140，然后，刀盘140将该再循环的热量—与来自燃烧的燃料的额外热量—改道返回到钻孔面220。因此，在该实施方式中，空气供应管线可以用作热交换器，以使离开钻孔面220的热量再循环并将该热量返回到刀盘140。
如图6所示，压缩机142被配置为压缩从地上新鲜空气供应装置进入的空气。通常，压缩机142在本文中被描述为限定联接到涡轮154、由涡轮154驱动并且布置在与涡轮154相同的驱动线上的径向压缩机。例如，压缩机142可以包括单级或多级轴向压缩机，该轴向压缩机包括：固定地安装到发动机上的一组压缩机定子叶片；在发动机内旋转的压缩机转子；以及安装到压缩机转子上的一组压缩机转子叶片。然而，压缩机142可替代地包括离心压缩机。压缩机142还可以由涡轮154经由齿轮箱、皮带驱动器或其他动力传输子系统驱动。
如图6所示，燃烧器144被配置为将离开压缩机的压缩空气和从燃料供应装置进入的燃料混合并点燃该燃料混合物。在一个实现方式中，燃烧器144包括与压缩机142和涡轮154并联布置的一个或多个火焰管，每个火焰管限定：包括第一组穿孔的主区；以及包括第二组穿孔的稀释区。在该实现方式中，燃烧器144还可以包括附接于燃料计量单元146的燃料喷射器，该燃料喷射器将燃料喷射到在主区之前的火焰管中。在操作期间，离开压缩机142的—压缩空气的第一部分—经由第一组穿孔移动到火焰管的主区中并与燃料混合以形成目标比(例如，比化学计量比稀)处或附近的空气-燃料混合物。然后，该空气-燃料混合物在(接近)恒定压力下在火焰管的主区内燃烧(几乎完全)，并在其通向涡轮154的途中流入稀释区。同时，离开压缩机142的—空气的第二部分—围绕火焰管的主区并在火焰管的主区之外移动，穿过火焰管中的第二组穿孔，并且与从主区移动到火焰管的稀释区的高温燃烧产物混合。压缩空气的该第二部分可能会比这些高温燃烧产物冷得多，并且因此可能会降低离开燃烧器的燃烧产物的平均温度，并且因此降低随后离开喷嘴160并射向钻孔面的排气的平均温度。
如上所述，系统100还可以相应地控制压缩空气的第一部分与进入和围绕火焰管转向的压缩空气的第二部分的“稀释比”，以便在调整进入燃烧器的燃料流速时在火焰管的主区内维持目标空气-燃料混合物并控制排气温度。
如图6所示，涡轮154被配置为从离开燃烧器144的燃烧产物提取能量并使压缩机142旋转。特别地，涡轮154可以包括：安装到发动机上的一组涡轮定子叶片；在发动机内旋转并联接到压缩机转子(例如，经由驱动轴和/或齿轮箱)的涡轮转子；以及安装到涡轮转子上的一组涡轮转子叶片。离开燃烧器144的燃烧产物可能会在移动通过涡轮154的涡轮定子和转子叶片时等熵地膨胀，从而降低这些燃烧产物的温度和压力并将该能量转换成压缩机142的旋转。
如图6所示，喷嘴160被连接到涡轮的输出端，并且被配置为将离开涡轮的排气220引导到钻孔面200处的射流冲击区域上。
在一个实现方式中，系统100包括固定面积喷嘴160，该固定面积喷嘴160在喷嘴160与钻孔面200之间的目标相隔距离(或在目标相隔距离的窄范围内)处将排气射向钻孔面200，以在钻孔面200上形成目标尺寸(例如，目标直径)的射流冲击区域。例如，固定面积喷嘴160可以限定喷嘴几何形状，该喷嘴几何形状产生大约为喷嘴160的宽度的十倍宽度的冲击区域，以便实现：包括由厚边界层屏蔽的热中心区域的排气流220；在中心区域内的高效对流；从中心流到钻孔面200中的高传热速率；以及因此在射流冲击区域内的高速率剥落。
如本文所述，控制器180可以经由刀盘升降装置170—并且因此相对于钻孔面200—控制相隔距离和喷嘴160在底盘110上的角位置，以在钻孔面200的表面上引起受控区域的射流冲击，并且因此在向前推进底盘110之前均匀地挖掘钻孔面200的一个离散横截面。
在示例实现方式的一个变型中，系统100包括可变面积喷嘴160，该可变面积喷嘴160包括可变孔口162，排气220可以流过该可变孔口162。在该变型中，通过调整喷嘴的面积，控制器180可以调整钻孔面200处的射流冲击区域，并因此控制钻孔面200处的射流冲击区域内的功率密度(即，每单位面积的热通量)。
总体上，压缩机142的速度可能与通过刀盘140的空气的质量流速相关，并且因此与在钻孔面200处的射流冲击区域内的压力相关。类似地，燃料流速可与排气温度和涡轮速度和压缩机速度相关。因此，在操作期间，控制器180还可以实施闭环控制以：增加燃料流速以将排气温度升高到(固定或可变的)目标温度；并且增加喷嘴面积以补偿由于增加的燃料流速而产生的较高的压缩机速度，并且因此维持射流冲击区域上的受控的(例如，恒定的)压力。类似地，控制器180可进一步实施闭环控制以：减小燃料流速以将排气温度降低到(固定或可变的)目标温度；并且减小喷嘴面积以补偿由于减小的燃料流速而产生的较低的压缩机速度，并且因此维持射流冲击区域上的受控的(例如，恒定的)压力。
在类似的示例中，控制器180可以实现附加的闭环控制以在较高的压缩机速度下增加喷嘴面积，从而降低离开喷嘴的排气的速度并因此将排气流维持在亚音速。
相反，控制器180可以调整喷嘴面积以：维持超音速排气流；并且在钻孔面200处的排气流中定位第一马赫环(shock diamond，即，局部密度和压力的突然变化)。在由系统100定位在钻孔面处的—该马赫环内和周围的排气220的复杂流动—可能会导致射流冲击区域中的高速的热传递、热冲击和压力冲击，这可能会产生从射流冲击区域的高速剥落和材料移除。因此，在该实现方式中，控制器可以：通过本文描述的任何方法或技术监测从发动机到钻孔面200的相隔距离；并且基于当前排气温度、通过刀盘140的当前空气流速(或压缩机速度、涡轮速度)和当前相隔距离来调整喷嘴区域，以便在在前相隔距离处将马赫环(例如，第一马赫环)定位在排气流中并且因此在钻孔面200处形成产生增加的材料移除速率的热冲击和压力冲击。
在可变面积喷嘴160的闭环控制的另一个示例中，控制器180可以在钻孔面200处存在硬地质体(例如，岩浆岩和变质岩)时减小喷嘴面积，以便：在射流冲击区域内实现较大的能量密度并且尽管这些地质体更硬，但维持射流冲击区域内的高速剥落；同时还将排气温度保持在低于较软的地质体的低熔化温度，以便防止在混合地质体钻孔面条件下或在沿着隧道从较硬的地质体转变到较软的地质体期间在钻孔面200处的熔化。类似地，在该示例中，当在钻孔面处存在软地质体(例如，沉积岩石)时，控制器180可以增加喷嘴面积，以便增加射流冲击区域的尺寸并因此在更宽的钻孔区域上保持高速剥落，从而在钻孔的宽度和高度上进行更均匀的岩石移除。
如图6所示，系统100还包括：被布置在喷嘴160的出口附近(例如，在喷嘴160与钻孔面200之间)的温度传感器156(例如，热电偶)；以及被配置为调整喷射到燃烧器144中的燃料的速率的燃料计量单元146。总体上，在操作期间，控制器180可以：基于温度传感器156输出的信号来追踪离开喷嘴160的排气220的温度；以及经由燃料计量单元146—调节进入燃烧器144的燃料的速率—以将离开喷嘴160的排气220的温度维持在低于所有地质体的熔化温度或低于在钻孔面200处预测或检测到的特定地质体的熔化温度。
如本文所述，控制器180可以：设置例如上述的目标排气温度；对温度传感器156进行采样以追踪离开喷嘴160的排气220的温度；然后，实施闭环控制以在这些排气220的温度小于目标温度时，调整燃料计量单元146以增加喷射到火焰管中的燃料的速率；并且在排气220的温度大于目标温度时，调整燃料计量单元146以减小喷射到燃烧器144中的燃料的速率。
如图6所示，系统100包括空气计量单元148，空气计量单元148被配置为改变进入燃烧器144的主区的压缩空气的第一部分与进入燃烧器144的稀释区的压缩空气的第二部分的稀释比。
在一个实现方式中，空气计量单元148包括套筒150，该套筒150被配置为在沿着燃烧器144的一系列位置上滑动，这些位置例如包括：1:0稀释比位置，其中套筒150完全暴露燃烧器144中的第一组穿孔并且完全封闭燃烧器144中的第二组穿孔；2:1稀释比位置，其中套筒150主要暴露燃烧器144中的第一组穿孔并且主要封闭燃烧器144中的第二组穿孔；1:1稀释比位置，其中套筒150类似地暴露燃烧器144中的第一组穿孔和第二组穿孔；以及1:2稀释比位置，其中套筒150主要封闭燃烧器144中的第一组穿孔并且主要暴露燃烧器144中的第二组穿孔。
在示例实现方式的该变型中，空气计量单元148还可以包括被配置为使套筒150沿着该一系列位置转变的致动器152。因此，在操作期间，控制器180可以设置例如下面描述的目标排气温度，检测离开喷嘴140的排气220的温度，并且实施闭环控制以：在排气220的温度小于目标温度时，调整空气计量单元148以增加稀释比—并且相应地增加燃料流速以维持目标空气-燃料比；并且在排气220的温度大于目标温度时，调整空气计量单元148以减小稀释比—并且相应地减小燃料流速以维持目标空气-燃料比。
总体上，控制器180可以：基于标称钻孔地质体或基于实时钻孔特性来设置目标排气温度；然后，实施闭环控制以基于离开喷嘴140的排气220的测量温度与目标温度之间的差来调整燃烧器144内的燃料流速和/或稀释比。
另外，如图6所示，系统100还可以包括后燃烧器158，后燃烧器158被配置为将燃料喷射到离开涡轮154的排气220中，以便快速提高到达钻孔面200的排气的温度和压力。控制器180可以被配置为：选择性地致动后燃烧器158(通过点火和燃料流速的控制)以快速提高排气220的温度和撞击在钻孔面200上的排气220的压力。在使用中，后燃烧器158可以限定靠近其末端的再循环区，以锚定后燃烧器火焰。后燃烧器150还可以包括火花塞、热线点火塞或其他电气或电磁起动器以点燃后燃烧器火焰并初始化所喷射的燃料的蒸发。在示例实现方式的另一个变型中，在调整钻孔面200上的排气220的温度和/或压力时，控制器180可以被配置为：首先调整到后燃烧器158的激活和/或燃料流速；然后，如果必要，通过上述的方法和技术调整燃料流速或稀释率。
在示例实现方式的一个变型中，可以从主燃料供应管线给后燃烧器158供应燃料(例如液体柴油燃料)。替代地，后燃烧器158可以由单独的燃料管线供应并且供应单独类型的燃料(例如，煤油和汽油、生物柴油等的混合物)。此外，控制器180可以：与后燃烧器158的致动协调地选择性地增加或减小可变面积喷嘴160的喷嘴面积，以便维持喷嘴160内的一致压力。
在示例实现方式的另一个变型中，系统100还包括：布置在压缩机142与燃烧器144之间的压缩机排出孔(未被示出)；以及联接到压缩机排出孔的低温喷射器，该低温喷射器布置在钻孔面200附近并且被配置为通过从喷嘴160—远离钻孔面200并且在刀盘140后面向后—输出的高温排气将裂片从钻孔面吹走—移除。
例如，低温喷射器可以布置在喷嘴140下方，并且可以面向下和/或朝向钻孔面200的底部拐角，使得由低温喷射器排出的压缩空气使—从钻孔面落下并聚集在钻孔的这个底部拐角中的—裂片—向后移位，从而将钻孔面200的底部暴露于通过从喷嘴160排出的排气220进行的剥落之中。因此，系统100可以：经由压缩机排出孔从压缩机142的输出中排出压缩空气的第三部分，并且将该压缩空气输送到低温喷射器；朝向钻孔面200的底部区域喷射压缩空气的该第三部分；向后—抽吸—可能以其他方式沿着钻孔面200的底部聚集的—裂片和较大的岩石碎片；并且因此将钻孔面200的底部拐角暴露于喷嘴160以用于进一步的剥落。
补充地或替代地，在该变型中，系统100可以包括一组低温喷射器，它们围绕刀盘140的外壳布置在喷嘴140附近，在刀盘上面向后(即，与钻孔面相反)，并且连接到压缩机排出孔。在该实现方式中，该组低温喷射器可以沿着刀盘140的外壳引导低温空气，以便沿着底盘110形成冷边界层，该冷边界层可以在操作期间保护底盘110免受热离开钻孔面200并围绕刀盘140流动的排气和裂片的热影响。
在另一个变型中，系统100还包括风扇：其被布置为轴向式的(inline)并且在压缩机142的前面；联接到空气供应管线；由涡轮154驱动(例如，以高旁通风扇配置)；并且被配置为输出与压缩机142、燃烧器144和喷嘴160分离的第二低温压缩空气流。在该变型中，系统100还可以包括流动反转子系统(例如，以蛤壳式配置)，该流动反转子系统被配置为向后并且远离钻孔面200引导该第二低温压缩空气流，以将从钻孔面200离开的—裂片远离钻孔面、经过刀盘140并从隧道中抽吸出。例如，流动反转子系统可以：向后引导第二低温压缩空气流(即，远离钻孔面200；与从空气供应装置流到刀盘140中的空气的方向相反)；因此在刀盘140的后部与钻孔面200之间产生较低压力区域，以便增加围绕并经过刀盘的排气220和裂片的流速；并且冷却系统100的底盘110。
如图2和图6所示，刀盘140可以安装在底盘110上，并且当系统100挖隧道时，推进子系统120可以将底盘110和刀盘140朝向钻孔面200的新暴露的表面向前推进。
例如，底盘110和推进子系统120可以形成由电动马达、液压马达或气动马达驱动的轮式或履带式推车，电动马达、液压马达或气动马达经由与刀盘140连接的发电机、泵或压缩空气排出孔等提供动力。底盘110还可以包括被配置为以至少五个自由度移动刀盘140的刀盘升降装置170。刀盘升降装置170可以被配置为：将刀盘140定位到底盘110上；沿着底盘110纵向地(例如，沿着X轴)推进和缩回刀盘140，以便维持喷嘴160与钻孔面200之间的相隔距离；使刀盘140在底盘110上纵倾和横倾(例如，纵倾和横倾达到+/-10°)，以便扫描(或“光栅扫描”)钻孔面200上的射流冲击区域；和/或使刀盘140沿着Z轴竖向地提升或喘振，并且使刀盘140沿着底盘110上的Y轴横向地移动或波动，以便扫描钻孔面200上的射流冲击区域。
在该示例实现方式中，控制器180可以实施一个或多个闭环控制以：完全缩回刀盘升降装置170；将推进子系统120向前推进以将喷嘴160定位在距钻孔面200的(大约)目标相隔距离处；将喷嘴160在钻孔面200上进行光栅扫描，以便在大于射流冲击区域和系统100的横截面的钻孔面区域上剥落和移除岩石；选择性地暂停(或“停止”)喷嘴160以将射流冲击区域定位在钻孔面200的低钻孔速率区域处；并且根据在该光栅扫描循环期间计算出的移除速率向前推进刀盘升降装置170。
控制器180可以在多个光栅扫描循环期间重复闭环过程，直到刀盘升降装置170到达其向前行进的顶点，此时控制器180可以完全缩回刀盘升降装置170和向前推进推进子系统120以在重复该过程之前将喷嘴160定位在距钻孔面200(大约)目标相隔距离处。此外，在该示例中，控制器180可以：维持通过燃烧器144和/或后燃烧器158的一致的燃料流速，并且因此维持离开喷嘴的排气220的一致的温度和压力；并且调节系统100将喷嘴160在钻孔面200上进行光栅扫描的扫描速率，以便在钻孔的长度上实现目标钻孔尺寸(例如，宽度和高度)和目标钻孔轮廓(例如，D形)。
7.结论
本文描述的系统和方法可以至少部分地体现和/或实现为被配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令可由与应用程序、小应用程序、主机、服务器、网络、网站、通信服务、通信接口、用户计算机或移动装置的硬件/固件/软件元件、腕带、智能电话或其任何合适的组合集成的计算机可执行组件执行。实施方式的其他系统和方法可以至少部分地体现和/或实现为被配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令可以由与上述类型的设备和网络集成的计算机可执行组件所集成的计算机可执行组件来执行。计算机可读介质可以存储在任何合适的计算机可读介质上，诸如RAM、ROM、闪存、EEPROM、光学器件(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的装置。计算机可执行组件可以是处理器，但是任何合适的专用硬件装置都可以(替代地或补充地)执行指令。
本领域技术人员将从前面的详细描述和从附图和权利要求书中认识到，可以对本发明的实施方式进行修改和改变，而不脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。
Claims (19)
1.一种钻孔系统，其包括：
刀盘，所述刀盘包括：
压缩机，所述压缩机被配置为压缩从地上新鲜空气供应装置进入的空气；
燃烧器，所述燃烧器被配置为将离开所述压缩机的压缩空气与燃料混合并燃烧所述燃料从而产生排气；
涡轮，所述涡轮被配置为从所述排气提取能量以使所述压缩机旋转；以及
后燃烧器，所述后燃烧器与控制器连接并且被配置为将附加燃料喷射到离开所述涡轮的排气中，并在将所述排气引导到钻孔面之前燃烧所述附加燃料以提高所述排气的温度；
其中，所述控制器与所述刀盘连接，并且被配置为：追踪所述排气的温度，并且基于所述排气的温度来调节进入所述后燃烧器的所述附加燃料的流速；
其中，所述刀盘包括可变面积喷嘴，所述可变面积喷嘴包括可变孔口，并且
所述控制器被配置为：控制所述可变面积喷嘴的面积，从而控制所述钻孔面处的射流冲击区域。
2.根据权利要求1所述的钻孔系统，其中，所述控制器被配置为：控制所述后燃烧器中的火焰点燃以及进入所述后燃烧器的所述附加燃料的稀释率中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的钻孔系统，其中所述控制器被配置为：与所述后燃烧器的致动协调地选择性地增加或减小所述可变面积喷嘴的喷嘴面积，从而维持所述可变面积喷嘴内的一致压力。
4.根据权利要求1所述的钻孔系统，所述控制器还包括：
深度传感器，所述深度传感器与所述控制器连接并且被配置为检测所述可变面积喷嘴与所述钻孔面之间的相隔距离。
5.根据权利要求4所述的钻孔系统，其中，所述深度传感器包括接触探针和线性致动器，所述线性致动器被配置为朝向所述钻孔面延伸所述接触探针并且从所述钻孔面缩回所述接触探针。
6.根据权利要求5所述的钻孔系统，其中，所述控制器被配置为：
引导所述线性致动器以朝向所述钻孔面延伸所述接触探针；
一旦所述线性致动器上的电阻达到阈值电阻，就从所述深度传感器读取长度测量结果；以及
引导所述线性致动器从所述钻孔面缩回所述接触探针。
7.根据权利要求6所述的钻孔系统，其特征在于，所述控制器被配置为：调整所述刀盘的一个或多个钻孔参数，以改变所述刀盘相对于所述钻孔面的位置。
8.根据权利要求4所述的钻孔系统，·其中，所述控制器被配置为：
在第一时间从所述深度传感器接收第一相隔距离；
在第二时间从所述深度传感器接收第二相隔距离；以及
基于在所述第一时间和所述第二时间之间的间隔上的所述第一相隔距离和所述第二相隔距离之间的差，计算所述钻孔面处的当前钻孔速率。
9.根据权利要求1所述的钻孔系统，还包括围绕所述刀盘的周边成图案布置的一组基于接触的深度传感器，其中所述控制器被配置为：基于所述一组基于接触的深度传感器的测量结果和已知位置，围绕所述刀盘的周边内插深度轮廓。
10.根据权利要求1所述的钻孔系统，进一步包括：
包括开口的热屏蔽传感器壳体；
跨越所述热屏蔽传感器壳体的开口所布置的热屏蔽挡板；以及
传感器，其布置在所述热屏蔽挡板后面的热屏蔽传感器壳体中。
11.根据权利要求10所述的钻孔系统，其中，所述传感器是以下各项中的一种：基于雷达的深度传感器、红外传感器、超声波传感器、激光传感器、2D深度相机、3D LIDAR相机、以及温度传感器。
12.根据权利要求1所述的钻孔系统，进一步包括：
温度传感器，所述温度传感器被配置为：确定所述排气的温度，并被连接到所述控制器；以及
燃料计量单元，所述燃料计量单元被配置为：调节喷射到所述后燃烧器中的附加燃料的流速，并且被连接到所述控制器，
其中所述控制器被配置为：基于从所述温度传感器接收的所述排气的温度来控制由所述燃料计量单元所以设置的流速。
13.根据权利要求1所述的钻孔系统，其特征在于，进入所述后燃烧器的燃料不同于进入所述燃烧器的燃料。
14.根据权利要求1所述的钻孔系统，其特征在于，进入所述后燃烧器的附加燃料是液体柴油燃料。
15.根据权利要求1所述的钻孔系统，进一步包括刀盘升降装置，其中：
所述刀盘升降装置与所述刀盘机械连接并且被配置为相对于所述钻孔面定位所述刀盘，并且所述刀盘升降装置通信地连接到所述控制器，所述控制器被配置为指示所述刀盘升降装置相对于钻孔面定位所述刀盘。
16.根据权利要求15所述的钻孔系统，其特征在于，所述刀盘升降装置被配置为：使所述刀盘相对于钻孔的纵向轴线而纵倾或横倾。
17.根据权利要求1所述的钻孔系统，还包括光学传感器，所述光学传感器与所述控制器连接并且指向所述钻孔面，并且被配置为输出所述钻孔面的图像，其中所述控制器被配置为：
设置目标排气温度；
接收由所述光学传感器捕获的所述钻孔面的图像；
扫描所述钻孔面的所述图像以寻找指示熔融材料的一组像素；以及
响应于检测到指示熔融材料的所述一组像素，降低所述目标排气温度。
18.根据权利要求17所述的钻孔系统，其中，所述控制器还被配置为：
接收由所述光学传感器从所述钻孔面捕获的一组图像；
扫描所述钻孔面的所述一组图像以寻找指示离开所述钻孔面的剔除材料的一组像素；
基于与所述剔除材料相关联的所述一组像素的光学特性来表征所述剔除材料；以及
响应于将所述剔除材料表征为熔融材料，降低所述目标排气温度。
19.根据权利要求15所述的钻孔系统，还包括：
支撑所述刀盘升降装置的底盘；以及
推进系统，所述推进系统被配置为：使所述底盘在朝向钻孔面的第一方向上推进和使所述底盘在远离所述钻孔面的第二方向上缩回，从而改变所述刀盘相对于所述钻孔面的位置。
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