JP2023538823A - 非接触掘削のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

エネルギーを掘削面に向けて材料の破壊、破砕、及び除去によって掘削面から材料を除去する1つ又は複数の非接触掘削要素を含み、様々な地質を自律的又は実質的に自律的に掘削又はトンネリングするシステム及び方法について開示される。システムは、掘削面に向けられるエネルギーの流れに影響を与える一連の掘削パラメータを制御する方法を自動的に実行できる。システムはさらに、例えば、システムと掘削面の間のスタンドオフ距離、掘削面に向けられた排気ガスの温度、掘削面からの材料の除去率、及び／又は掘削動作中の掘削面の熱的又はトポロジー的特性といった掘削制御のセットを監視、指示、維持、及び／又は調整を行うための方法を自動的に実行することができる。【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０２０年７月３１日に出願された「プラズマによる掘削方法」という名称の米国仮出願第６３／０５９，９２７号の利益を主張し、この参照によりその全体が組み込まれる。本出願は、２０２１年２月１８日に出願された「ジェット衝突による地質を掘削するためのシステム」という名称の米国仮出願第６３／１５１，０３６号の利益を主張し、この参照によりその全体が組み込まれる。

本発明は、一般に地下掘削の分野に関し、より具体的には、地下掘削の分野における新規且つ有用な非接触掘削システムを用いた新規かつ有用な地下掘削方法に関する。

図１は、非接触掘削要素を用いた掘削の実施例の流れ図である。 図２は、非接触掘削要素で掘削するためのシステムの実施例の概略図である。 図３は、プラズマトーチで掘削する方法の実施例の流れ図である。 図４Ａは、プラズマトーチで掘削するためのシステムの実施例の概略図である。 図４Ｂは、プラズマトーチで掘削するためのシステムの実施例の概略図である。 図５は、ジェットエンジンを含むカッターヘッドで掘削する方法の実施例の流れ図である。 図６は、ジェットエンジンを含むカッターヘッドで掘削するためのシステムの実施例の概略図である。

本発明の実施形態の以下の説明は、本発明をこれらの実施形態に限定することを意図するものではなく、当業者が本発明を作成及び使用できるようにすることを意図している。本明細書で説明するバリエーション、構成、実装、実装例、及び例はオプションであり、それらが説明するバリエーション、構成、実装、実装例、及び例に限定されるものではない。 本明細書に記載の発明は、これらのバリエーション、構成、実装、実装例、及び例の任意及びすべての順列を含むことができる。
１．方法

図１に示されるように、掘削のための方法Ｓ１００は、第１の時点に、ブロックＳ１１０において、掘削面に面する非接触掘削要素を掘削面から目標スタンドオフ距離まで駆動することと、ブロックＳ１２０において、非接触掘削要素を作動させて掘削面から材料を除去すると、ブロックＳ１３０において、掘削面の第１のプロファイルを検出することと、ブロックＳ１４０において、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に調整することを含むことができる。図１に示されるように、方法Ｓ１００は、第１のプロファイルが目標勾配範囲未満の第１の勾配を示すことに応答して、ブロックＳ１５０において、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に減少させるか、又は、第１のプロファイルが目標勾配範囲より大きい第１の勾配を示すことに応答して、ブロックＳ１６０において、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に増加させることを含むことができる。 方法Ｓ１００はまた、第２の時点で、ブロックＳ１７０において、第２の目標スタンドオフ距離に従って非接触掘削要素を掘削面に向かって再配置することを含むことができる。

図３に示すように、プラズマで掘削する第２の方法Ｓ２００は、第１の時点に、ブロックＳ２１０において、掘削面に面するプラズマトーチを掘削面から目標スタンドオフ距離まで駆動することと、ブロックＳ２２０において、プラズマトーチを作動させて掘削面から材料を除去することと、ブロックＳ２３０において、掘削面の第１のプロファイルを検出することと、ブロックＳ２４０において、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に調整することを含むことができる。図３に示されるように、方法Ｓ２００は、ブロックＳ２５０において、第１のプロファイルにが目標勾配範囲未満の第１の勾配を示す応答して、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に減少させるか、又は、第１のプロファイルが目標勾配範囲より大きい第１の勾配を示すことに応答して、ブロックＳ２６０において、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に増加させることを含むことができる。方法Ｓ２００はまた、ブロックＳ２７０において、第２の時点において第２の目標スタンドオフ距離に従ってプラズマトーチを掘削面に向かって再配置することを含むことができる。

図５に示すように、ジェットエンジンを含むカッターヘッドで掘削する第３の方法Ｓ３００は、第１の時点で、ブロックＳ３１０において、掘削面に面するカッターヘッドを掘削面から目標スタンドオフ距離まで駆動することと、ブロックＳ３２０において、カッターヘッドを作動させて目標排気ガス温度の排気ガスをノズルから掘削面に向け、掘削面から材料を除去することと、ブロックＳ３３０において、掘削面に向けられた排気ガスの第１の温度を検出することと、ブロックＳ３４０で、掘削面に向けられた排気ガスの第１の温度を調整することを含むことができる。 図５に示されるように、方法Ｓ３００はまた、ブロックＳ３５０において、ノズルを出る排気ガスの温度を目標排気ガス温度付近に維持するように、燃焼器に入る燃料の速度を調整するように燃料計量ユニットに指示することと、ブロックＳ３６０において、ノズルに存在する排気ガスの温度を目標排気ガス温度又はその付近に維持するように、燃焼器に入る空気の質量を調整するように空気計量ユニットに指示することを含むことができる。

方法Ｓ１００、Ｓ２００、Ｓ３００のバリエーションは、最初に、掘削面に面する非接触掘削要素を、掘削面からの目標スタンドオフ距離まで駆動することと、非接触掘削要素を作動させて掘削面から材料を除去することと、非接触掘削要素から掘削面までの第１のスタンドオフ距離を検出することと、第１の時点での目標スタンドオフ距離と第１のスタンドオフ距離との間の第１の差に基づいて、掘削面からの第１の除去速度を計算することと、第１の除去速度が目標除去速度を下回ったことに応答して、目標スタンドオフ距離を増加させることと、第１の時点に続く第２の時点で、非接触掘削要素を目標スタンドオフ距離まで駆動することと、非接触掘削要素を作動させて掘削面から材料を除去することと、非接触掘削要素から掘削面までの第２のスタンドオフ距離を検出することと、第２の時点での目標スタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離との間の第２の差に基づいて、掘削面からの第２の除去速度を計算することと、 第２の除去速度が第１の除去速度を下回ったことに応答して、目標スタンドオフ距離を減少させることを含むことができる。
２．システム

図２に示すように、非接触掘削のためのシステム１００は、シャーシ１１０と、掘削面２００に向かって第１の方向にシャーシ１１０を前進させるとともに、掘削面から離れる第２の方向にシャーシ１１０を後退させるように、シャーシ１１０とともに配置される推進システム１２０と、シャーシ１１０に接続され、一連の掘削パラメータに応答して動作するように構成された非接触掘削要素１３０と、シャーシ１１０と掘削面２００との間のスタンドオフ距離を測定するように構成された深度センサ１９０を含むことができる。システム１００はまた、推進システム１２０、非接触掘削要素１３０、及び深度センサ１９０に接続され、シャーシ１１０と掘削面２００との間のスタンドオフ距離を測定する深度センサ１９０に応答して、推進システム１２０、非接触掘削要素１３０、及び深度センサ１９０を制御するように構成されたコントローラ１８０を含むことができる。

図４Ａ及び４Ｂに示されるシステム１００の１つのバリエーションにおいて、システム１００は、シャーシ１１０と、掘削面２００に向かって第１の方向にシャーシ１１０を前進させるとともに、掘削面２００から離れる第２の方向にシャーシ１１０を後退させるように、シャーシ１１０とともに配置される推進システム１２０と、電源１３４及びガス供給源１３６に接続されたプラズマトーチ１３２と、プラズマトーチ１３２をシャーシ１１０に接続するプラズマトーチラム１７０を含むことができる。図４Ａ及び４Ｂに示すように、プラズマトーチラム１７０は、プラズマトーチ１３２をシャーシ１１０上に配置し、第１の方向及び第２の方向に実質的に平行な縦軸（Ｘ軸）に沿うシャーシ１１０に沿ってプラズマトーチ１３２を前進及び後退させ、縦軸に対するピッチ角及び縦軸に対するヨー角に沿ってプラズマトーチ１３２を傾け、縦軸に実質的に垂直な垂直軸（Ｚ軸）に沿ってプラズマトーチ１３２を垂直に持ち上げ、縦軸及び縦軸に実質的に垂直な横軸に沿って横方向にプラズマトーチ１３２を移動させるように構成することができる。図２、４Ａ、及び４Ｂに示すように、システム１００はまた、シャーシ１１０と掘削面２００との間のスタンドオフ距離を測定するように構成された深度センサ１９０と、シャーシ１１０と掘削面２００との間の第１の位置から第２の位置に廃棄物を引き込むように構成された廃棄物排出器を含むことができる。例示的な実施形態のこの変形では、システム１００はまた、推進システム１２０、プラズマトーチ１３２、プラズマトーチラム１７０、及び深度センサ１９０に接続され、シャーシ１１０と掘削面２００との間のスタンドオフ距離を測定する深度センサ１９０に応答して、推進システム１２０、プラズマトーチ１３２、プラズマトーチラム１７０、及び深度センサ１９０を駆動するように構成されたコントローラ１８０も含むことができる。

図６に示されるシステム１００の別の変形では、システム１００は、シャーシ１１０とカッターヘッド１４０を含むことができ、カッターヘッド１４０は、地上の新鮮な空気供給源から入ってくる空気を圧縮するように構成された圧縮機１４２と、圧縮機１４２を出る圧縮空気を地上燃料供給源から流入する燃料と混合して燃料を点火するように構成された燃焼器１４４と、燃焼器１４４を出る燃焼燃料及び圧縮空気から圧縮機１４２を回転させるためのエネルギーを抽出するように構成されたタービン１５４と、タービン１５４を出る排気ガス２２０を方向付けて掘削面２００でジェット衝突領域を誘発するように構成されたノズル１６０を含んでいる。図６に示すように、システム１００はまた、カッターヘッド１３０に接続され、掘削面２００に対してカッターヘッド１３０を位置決めするように構成されたカッターヘッドラム１７０と、温度センサ１５６と、カッターヘッド１３０と温度センサ１５６とカッターヘッドラム１７０に接続されたコントローラ１８０を含むことができる。実施例のシステム１００のこの変形では、コントローラ１８０は、温度センサ１５６によって出力された信号に基づいてノズル１６０を出る排気ガス２２０の温度を追跡するとともに、燃焼器１４４に入る燃料の速度を調節して、ノズル１６０を出る排気ガス２２０の温度を掘削内に存在する地質の融解温度より低く破砕温度より高く維持するように構成することができる。図２及び図６に示されるように、システム１００はまた、コントローラ１８０に接続され、掘削面２００に向かって第１の方向にシャーシを前進させ、第２の方向にシャーシ１１０を後退させるように、シャーシ１１０とともに配置される推進システム１２０を含むことができる。
３．応用

一般に、システム１００の１つ又は複数のバリエーションは、方法Ｓ１００、Ｓ２００、Ｓ３００のブロックを実行して、掘削速度及び電力（燃料、電気、可燃性ガス）消費の効率を高めながら、自律的又は実質的に自律的な方法でさまざまな地質を掘削又はトンネルすることができる。一般に、システム１００は、（例えば、高温、高圧、電磁放射などによって）エネルギーを掘削面に向けて、材料の断裂、破砕、及び除去によって掘削面から材料を除去する１つ又は複数の非接触掘削要素を含むことができる。自律的又は実質的に自律的な方法で動作するために、システム１００は、方法Ｓ１００、Ｓ２００、Ｓ３００のブロックを自動的に実行して、掘削面に向けられたエネルギーの流れに影響を与える掘削パラメータのセット（電力、ガス流、空気流、燃料流など）を制御することができる。さらに、システム１００は、方法Ｓ１００、Ｓ２００、Ｓ３００のブロックを自動的に実行して、例えばシステム１００と掘削面との間のスタンドオフ距離、掘削面に向けられた排気ガスの温度、掘削面からの材料の除去速度、及び／又は掘削作業中の掘削面の熱的又はトポロジー的特性を含む一連の掘削制御を監視、指示、維持、及び／又は調整することができる。非接触掘削システム１００の実施例の応用例を、図面を参照して以下に説明する。
３－１．応用：プラズマ掘削の変形例

一般に、方法Ｓ１００及びＳ２００は、プラズマ掘削動作中にプラズマ掘削システム１００（以下、「システム１００」という）によって実行され、掘削の形状と効率的な掘削を維持するために、掘削形状（又は「プロファイル」）と掘削面からの材料除去速度の関数としてプラズマトーチ電力、ガス流量、配向、前進速度、及びスタンドオフ距離を調節することができる。より具体的には、システム１００は、方法Ｓ１００及びＳ２００のブロックを実行して、プラズマトーチから掘削面までの実際のスタンドオフ距離を追跡し、閉ループ制御を実装して実際のスタンドオフ距離を目標スタンドオフ距離に維持し、プラズマトーチへの電力とガス流量入力の関数としての実際のスタンドオフ距離と予測スタンドオフ距離の差に基づいて掘削効果を特徴付け、掘削面全体のさまざまな位置でのスタンドオフ距離に基づいて掘削面プロファイルを導出し、掘削効率を高めるとともに掘削面全体で目標掘削面プロファイルを維持するように目標スタンドオフ距離とプラズマトーチの向きを変更し、掘削作業中の時間の経過に伴う目標スタンドオフ距離とプラズマトーチの向きを考慮して高い掘削効率を維持するようにプラズマトーチへの電力とガス流量を調整することができる。

例えば、システム１００は、掘削面にわたってシステム１００によって測定されたスタンドオフ距離に基づいて掘削面プロファイル（又は「形状」）を監視し、次いで、掘削プロファイルが高い勾配を示す場合 (例：勾配が急である、非常に凹んでいる) には目標スタンドオフ距離を増やし、掘削プロファイルが低い勾配を示す場合 (例：浅い、最小限の凹みである、局所的な凸性）には目標スタンドオフ距離を減らすことができる。システム１００はまた、狭い掘削断面を検出したことに応答して、掘削を広げるために、プラズマトーチへのガス流量及び電力を増加させ、及び／又はプラズマトーチの前進（又は「供給」）速度を遅くしたり、広い掘削断面を検出したことに応答して、所望の掘削幅を維持し又は掘削の断面のサイズを小さくするために、プラズマトーチへのガス流量及び電力を減少させ、及び／又はプラズマトーチの前進速度を遅くしたりすることができる。さらに、システム１００は、プラズマトーチをシステム１００の前端に最も近い掘削面の領域に向ける（又は「傾ける」）ことができ－これは地質の変化によりシステム１００の現在の動作パラメータで低い除去速度を示す可能性がある－また、トーチへの電力及び／又はガス流量を調整して、掘削面のこの領域から材料を優先的に除去することができる。

したがって、トーチと掘削面との間の単一のスタンドオフ距離を監視することによって、システム１００は、掘削面からの材料除去速度を追跡し、この除去速度に基づいて目標スタンドオフ距離を調整し、プラズマトーチへの電力とガス流量を調整して、この目標スタンドオフ距離を補償することによって、掘削面からの高い除去速度を維持することができる。 さらに、システム１００と掘削面にわたる領域との間の複数のスタンドオフ距離を監視することによって、システム１００は、掘削面のプロファイルを特徴付け、目標スタンドオフ、電力、及びガス流量を調整して掘削の目標形状を維持し、掘削面全体の低収量（又は高弾性）領域を検出して、このような低収率領域からの材料の除去を優先的に目標にするように、プラズマトーチの向き、目標スタンドオフ、電力、及びガス流量を調整することができる。

方法Ｓ１００、Ｓ２００は、本明細書では、水平掘削作業中にシステム１００によって実行されるものとして説明されている。 しかしながら、システム１００は、追加的又は代替的に、垂直掘削及び傾斜掘削作業中に方法Ｓ１００、Ｓ２００のブロックを実行することができる。

一般に、システム１００は、方法Ｓ１００、Ｓ２００のブロックを実行する一方で、プラズマを用いて地下地質を掘削し、岩石の融解（例えば、溶岩の生成）を回避し、代わりに破片（岩片など）を伴うガス（例えば、ガス状の炭酸塩）の形で腐敗を維持する。これにより、システム１００内のスポイル排出器が、システム１００と掘削面との間のスポイルの閉じ込めを制限し、スポイル排出器に沿ったスポイルの収集（例えば、スポイル排出器内のより低温の表面での溶融岩石又は「スラグ」の凝縮によるもの）を制限して、スポイル－掘削面から取り外されたもの－を掘削から後方に引き出すことができる。追加又は代替として、システム１００は、目標の厚さとプロファイルの溶岩チューブを形成するために穴の表面に溶岩を適用する準備として、溶岩生成の目標速度（例えば、目標溶岩体積生成速度）を達成するために、方法Ｓ１００、Ｓ２００のブロックに従って、電力、ガス流量、及び／又はスタンドオフ距離を調節する。

特に、さまざまな地質には、砂岩、花崗岩、玄武岩など、結晶 (ＳｉＯ₂ など) が大きな割合で含まれている場合がある。 例えば、玄武岩は通常、体積で３０～４０％のＳｉＯ₂ を含み、体積で８０％ものＳｉＯ₂を含む場合もある。ＳｉＯ₂は比較的低い融解温度を示す。 但し、ＳｉＯ₂ の結晶構造は、ＳｉＯ₂ の融解温度未満で分解する可能性がある。 したがって、システム１００は、方法Ｓ１００、Ｓ２００のブロックを実施して、掘削面での材料の温度をＳｉＯ₂の結晶分解温度付近、及びＳｉＯ₂の融解温度未満に制御して、材料の結晶構造を掘削面にわたって分解し、ひいてはこの材料を溶融せずに（又はシステム１００によって穿孔される単位距離当たりの溶融材料の体積を制御して）この材料を破砕（又は分解）することができる。

より具体的には、システム１００は、方法Ｓ１００、Ｓ２００のブロックを実行して、これらの材料が溶融する前に、掘削面で岩石（及び土など）を砕いて崩壊させる。 この材料を溶かすのではなく、穴の面で材料を破砕することによって、システム１００は、あまり複雑でない腐敗物（例えば、ガス、破片、及び溶岩ではなく、ガス及び固体の岩石の破片のみ）を、より少ない熱で除去することができる。これによって、システム１００の構成要素の動作寿命を延ばし、掘削の単位距離（又は体積）当たりのエネルギー消費を削減し、システム１００の効率と寿命を向上させることにより、掘削作業に関連する全体的な費用を削減する。

さらに、掘削面での破砕材料の有効性（例えば、熱衝撃による）は、圧力と熱の関数である可能性がある。掘削面での圧力を増加させるために、システム１００は、プラズマトーチから掘削面までの距離（以下「スタンドオフ距離」）を減少させ、及び／又はプラズマトーチを通るガス流量を増加させることができる。 システム１００はまた、増加したガス流量を補償するためにプラズマトーチ電力を増加させることができる。 同様に、掘削面の温度を上げるために、システム１００は、掘削速度を減少させるか、滞留時間を増加させ、スタンドオフ距離を減少させ、及び／又はトーチ出力及びガス流量を増加させることができる。

方法Ｓ１００、Ｓ２００は、本明細書では、システム１００によって実行されて、ＳｉＯ₂などの結晶を高比率で含む珪長質地質を穿孔するものとして説明されている。しかしながら、システム１００は、方法Ｓ１００、Ｓ２００のブロックを追加的又は代替的に実行して、砂、土、シルト質の砂、粘土、丸石、ロームなどの、中間、苦鉄質、及び超苦鉄質地質のような、他の火成、変成、及び堆積地質を穿孔することができる。

さらに、方法Ｓ１００、Ｓ２００は、ここでは、掘削面での材料の溶融を最小化又は排除しながら、破砕及びガス化（又は気化）によって掘削面から材料を除去するためにシステム１００によって実行されるものとして記載される。 しかしながら、システム１００は、方法Ｓ１００のブロックを追加的又は代替的に実行して、掘削の壁を裏打ちする岩石のガラス化層の目標厚さを達成するなど、掘削面での材料の溶融速度又は体積を制御することができる。
３．２ 応用：ジェットスラスト掘削バリエーション

一般に、システム１００のジェット推力タイプのバリエーションは、シャーシと、地下掘削を通ってシャーシを前進させるように構成された推進サブシステム（例えば、駆動輪又はトラックのセット）と、シャーシに取り付けられたブレイトン－サイクルターボジェットエンジン（以下、「エンジン」）を含む完全に封じ込められたカッターヘッドを備えている。カッターヘッドは、圧縮機内で地上の空気供給源からの新鮮な空気を圧縮し、この圧縮空気を地上の燃料源からの燃料と混合し、この混合物を燃焼させ、これらの燃焼生成物からエネルギーを抽出して圧縮機を駆動し、これらの高温、高質量流量の排気ガスを地中掘削の表面に向かって排出するように構成されている。これらの高温、高質量流量の排気ガスは、ジェットの衝突領域内で掘削面に到達して、掘削面の地質に熱衝撃を与え、このようにして地質の破砕と掘削面からの岩石破片の除去に導くことができる。

さらに、掘削面でのガラス化は、掘削面での熱破砕を軽減又は抑制し、したがって、破砕による岩石の除去に比べて、単位時間当たり及びシステム１００によって消費される単位エネルギー当たりの岩石除去の減少をもたらす可能性がある。 したがって、システム１００は、さらに、これらの排気ガスの温度を表す信号を出力するように構成された温度センサと、エンジンへの燃料流量（例えば、「スロットル位置」）及び／又はエンジン内の他の掘削パラメータを変化させて、これらの排気ガスの温度をその面に存在するすべての地質の最低融解温度未満(例えば、１４００℃未満) 又は掘削面で検出された特定の地質の融解温度未満に維持して、掘削面の表面のガラス化を防止し、掘削面全体の破砕を維持し、単位時間当たり及びシステム１００によって消費される単位エネルギー当たりの大量の岩石除去を維持するように構成されたコントローラを含む。

特に、システム１００は、方法Ｓ１００、Ｓ３００のブロックを実行して、排気ガスの高エネルギー（例えば、高温及び／又は高質量流量）流を掘削面に向けることにより、熱破砕によって岩を貫通することができる。これらの高エネルギーの排気ガスは、熱エネルギーを掘削面の表面に急速に伝達し、その結果、掘削面の表面で岩石の薄い層が急速に熱膨張する。膨張と局所応力は、岩石マトリックスの微細構造に存在する自然の不連続性と不均一性に沿って発生し、岩石マトリックスを構成する鉱物の膨張差を引き起こし、鉱物粒子に沿って鉱物粒子間に応力とひずみを引き起こす。地質は一般的に脆いため、掘削面の表面での岩石の急速な熱膨張により、岩石のこの薄くて高温の表面層が、掘削面の背後の低温の岩石から破砕する。したがって、岩のこの薄くて熱い表面層は、岩の破片（又はスポール）に壊れ、この破砕プロセス中に掘削面の表面から分離する可能性がある。掘削面の表面での破砕又は微小応力の誘導のメカニズムは、これらの排気ガスにさらされる表面の鉱物学、材料特性、化学的特性、及び物理的特性に基づいて、岩相全体で異なる場合がある。

しかしながら、掘削面に到達する排気ガスの温度が掘削面の表面における地質の融解温度を超える場合、掘削面の表面は、破砕して掘削面から離脱するのではなく、融解して掘削面を流れ落ちる可能性がある。溶岩は、破片よりも単位質量当たりのエネルギーを多く吸収し、破片のように掘削面の表面から壊れて離脱するのではなく、掘削面をゆっくりと流れ落ち、そして、掘削面上の非溶融材料（例えば、溶融材料の領域のすぐ後ろ又は周囲の材料）を、エンジンによって出力される排気ガスによって運ばれるエネルギーから熱的に遮蔽する場合がある。したがって、破砕と比較して、掘削面での溶融岩石は、掘削面から取り除かれる岩石の単位時間当たり及びエンジンによって消費される単位エネルギー当たりの体積又は質量の即時の減少をもたらす可能性がある。例えば、エンジンによって消費されるエネルギーが、掘削面からの岩石の薄い層の連続的破砕ではなく、掘削面での岩石の相変化に向けられるためである。

したがって、システム１００は、掘削面で高圧と高い総熱流束を維持して、掘削面からの素早い破砕と材料除去を達成するために、出口ノズルが掘削面に面しているブレイトン－サイクルターボジェットエンジンを含み、高温の排気ガスを生成して、これらの排気ガスを高い体積流量で向けることができる。システム１００はまた、閉ループ制御を実施して、これらの排気ガスの温度をすべての地質の融解温度（例えば、ほとんどの地質について９００℃と１４００℃の間の融解温度を補償する８２５℃）未満、又は掘削面で検出された特定の地質の融解温度未満に維持することができる。したがって、掘削面の地質は、エンジンからのこれらの排気ガスの存在下では溶け難い可能性がある。システム１００はまた、幅広い地質で採掘面での融解するリスクを低くしながら、掘削面で高い熱流束を生成しそれによって採掘面での岩石の採掘率を高くするためのサブ融解温度の排気温度を補償するために、高い質量流量を維持することができる。

さらに、エンジンは、供給された燃料（例えば、液体ディーゼル）に含まれるエネルギーのほぼ１００パーセントを排気ガスの熱及び運動エネルギーに変換することに近づくことができ、システム１００はそれを掘削面に向けて岩石を破砕する。 実施の一例では、エンジンは、燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器を出るガスの圧力と熱エネルギーをドライブシャフトの機械的回転に変換するタービンと、ドライブシャフトを介してタービンによって駆動されて、空気をエンジンに引き込み、この空気を圧縮し、この空気を燃焼器に送り込む統合された軸流圧縮機を含む。

したがって、エンジンは完全に封じ込められており、さまざまな地質を通る地下トンネルを掘削するために、外部（つまり、地上）のサポートシステムをまったく必要としないか、最小限しか必要としない場合がある。特に、システム１００は、任意の温度及び湿度で新鮮な、調整されていない地上の空気を圧縮機に供給する空気供給源、地上供給源（例えば、燃料タンク）からエンジン内の燃料計量ユニットに燃料を供給する燃料供給源、及び／又は、地上監視システム又は低電力センサとデータラインを介したリモートコントロールのみに接続することができる。

したがって、掘削作業中に消費される実質的にすべてのエネルギーは、エンジンによって掘削面で消費されて、燃料の化学エネルギーを、掘削面の熱、掘削面で圧力を生成する排気ガスの運動エネルギー、排気ガスが破片を掘削面から移動しエンジン後方に引き寄せる運動エネルギー、及び、タービンと圧縮機を回転させる運動エネルギーに変換する。特に、圧縮機と燃焼器がエンジンに完全に組み込まれ、エンジンが（調整されていない）空気と燃料の供給のみで機能するように構成されているため、システム１００は、地上のサブシステムに電力を供給して冷却し又はエンジンに空気を送り込むために、ファン、ポンプ、冷却システムなどによってエネルギーが消費されないか、又は最小限に抑えられることを必要とする場合がある。

したがって、システム１００は、地下トンネルを掘削するために必要なセットアップ時間及び複雑さを最小限に抑えることができる。 例えば、オペレータは、トンネルの始点で浅い溝を掘り、システム１００をその溝に配置し、システム１００から後方に延びる燃料供給ラインを地上の燃料リザーバ（例えば、移動式燃料供給リグ）に接続し、システム１００から後方に延びる空気供給ラインの端部を遮るもののない地上の場所に配置し、例えばシステム１００に組み込まれた小型電気スタータモータでエンジンを始動することができる。

次いで、エンジンは、空気供給ラインを介して圧縮機に空気を取り込み、燃焼器内で加圧空気と燃料を燃焼させ、タービンで生成された排気ガスからエネルギーを抽出して圧縮機に電力を供給し、掘削面に向かって高い質量流量で高温ガスを放出して、掘削面から材料を破砕して除去することができる。同時に、推進サブシステムは、ノズルと掘削面の間のスタンドオフ距離を維持するために、掘削面からの材料の除去に比例する速度でエンジンを前方に移動させることができる。 追加的又は代替的に、推進サブシステムは、掘削面全体で一貫した熱流束を維持するために、掘削面からの材料の除去、ノズルから排出される排気ガスの温度と速度、掘削面にわたるノズルのラスターレート、及び／又はスタンドオフ距離に基づいて、エンジンを前進させることができる。

このように、システム１００は、方法Ｓ１００、Ｓ３００のブロックを実行して、実質的な地上の空気及び電力支援システムなしで掘削面から材料を除去することができ、それにより、地下トンネルを掘削するためのシステム１００のセットアップ及び配備を簡素化することができる。
４．掘削の初期化

掘削作業を開始するために、システム１００は掘削入口に配置される。 例えば、水平掘削作業の場合、地面開口部（又は「発射シャフト」）は、掘削開始深さで、システム１００を水平方向に収容するのに十分な幅及び長さで（例えば手動で）掘られる。 システム１００が掘削入口に配置され、トーチが掘削面に隣接する場合、コントローラは、後述する方法及び技術を実装して、トーチから掘削面までのスタンドオフ距離を測定し、閉ループ制御を実装して、トーチを公称スタンドオフ距離 (例：６インチ) まで駆動し、トーチをベースライン電力設定及びベースラインガス流量にランプすることによってトーチをアクティブにすることができる。
５．閉ループ制御

後述するように、掘削作業のフェーズ中に、コントローラ１８０は、データを受信し、センサを監視し、パラメータを測定し、システム１００の状態を決定し、補正を計算し、掘削面２００の地質の変化に適応し、システム１００の１つ又は複数の構成要素、サブシステム、アクチュエータ、又はセンサに命令及び指示を送信して、掘削面２００でのシステム１００の性能（例えば、掘削率）を自律的又は実質的に自律的に改善又は最適化することができる。

本明細書で説明する閉ループ制御は、一般に、任意のタイプの非接触掘削要素１３０に適用することができる。実施例では、システム１００は、温度、圧力、空気流、又はそれらの組み合わせによって、掘削面２００から材料を移動させるように構成された非接触掘削要素１３０を含むことができる。特定の実施例では、非接触掘削要素１３０は、プラズマトーチ、ブレイトン式ジェットエンジンを含むカッターヘッド、又は火炎ジェットを含む。 しかしながら、システム１００は、代替的又は追加的に、任意の他の熱及び／又は圧力誘導非接触掘削要素１３０を含むことができる。
５．１ スタンドオフ距離

図２に示される一実施形態では、システム１００は、非接触掘削要素１３０付近のシステム１００の前面付近に配置された単一の深度センサ１９０を含む。深度センサ１９０は、接触プローブ１９２と、接触プローブ１９２を掘削面２００に向かって延ばすとともに接触プローブ１９２を熱遮蔽ハウジング内などに後退させるように構成されたリニアアクチュエータ１９４と、システム１００の前面から延びる接触プローブ１９２の長さを追跡するように構成されたエンコーダ又は他のセンサを含む。

この実装形態では、コントローラ１８０は、深度センサ１９０を間欠的にトリガして、毎分１回などのスタンドオフ測定サイクルを実行することができる。 スタンドオフ測定サイクル中、コントローラ１８０は、リニアアクチュエータ１９４に接触プローブ１９２をハウジングの外に延ばすように指示し、アクチュエータの抵抗 (又はアクチュエータからの電流引き込み) が閾値抵抗 (又は閾値ストール電流) に達するとセンサから長さの測定値を読み取り、この長さ測定値をコントローラ１８０に返させ、接触プローブ１９２をハウジング内に引き戻すようにリニアアクチュエータ１９４をトリガすることができる。

さらに、スタンドオフ測定サイクル中に接触プローブ１９２が深度センサ１９０のハウジングの外に伸ばされると、コントローラ１８０は、掘削面２００での表面温度を低下させ、それによって接触プローブ１９２の熱衝撃及び／又は熱誘起歪みを低減するために、非接触掘削要素１３０の非接触プローブの掘削パラメータ（例えば、空気流、燃料流、ガス流、電力）を調整することができる。リニアアクチュエータ１９４が接触プローブ１９２をハウジングに戻すと、コントローラ１８０は、その後、非接触掘削要素１３０の掘削パラメータを再調整又は修正して、掘削面２００の表面温度を上昇させることによって掘削を再開することができる。

深度センサ１９０から長さ測定値を受け取ると、コントローラ１８０は、この長さ測定値を現在のスタンドオフ距離として記憶することができる。 コントローラ１８０は、非接触掘削要素ラム１７０の現在の長手方向位置に基づいてラムリセット距離を計算し、非接触掘削要素ラム１７０をリセット距離にわたってホームポジションにリセットし、推進システム１２０を作動させて、システム１００をラムリセット距離の合計と現在のスタンドオフ距離と現在の目標スタンドオフ距離との差だけ前方に移動させ、それによって、非接触掘削要素１３０を目標スタンドオフ距離に配置することができる。

別の実装形態では、接触プローブ１９２はリニアアクチュエータ１９４上でばね荷重されることができ、及び／又は深度センサハウジングはシャーシ１１０上でばね荷重される。スタンドオフ測定サイクル中、コントローラ１８０は、接触プローブ１９２を現在の目標スタンドオフ距離まで伸ばすように、深度センサ１９０をトリガする。接触プローブがこの目標スタンドオフ距離で抵抗に適合しない場合には、コントローラ１８０は、非接触掘削要素ラム１７０をホームポジションに後退させ、接触プローブ１９２が抵抗に適合する（すなわち、掘削面２００に接触する）まで推進システム１２０を前進させ、それによって非接触掘削要素１３０を目標スタンドオフ距離に設定し、非接触掘削要素ラム１７０及び推進システム１２０が掘削内を移動した距離に基づいて最後のスタンドオフ測定サイクル以降の掘削距離を記録し、そして、接触プローブ１９２を

この実装では、スタンドオフ距離を記録し、スタンドオフ測定サイクル中に非接触掘削要素１３０を目標スタンドオフ距離にリセットした後、コントローラ１８０は、デッドレコニング技法を実装して、現在のスタンドオフ距離を最後に測定されたスタンドオフ距離、非接触掘削要素１３０に関連する掘削パラメータの関数として推定し、閉ループ制御を実装して、非接触掘削要素ラム１７０の位置を調整し、及び／又は推進システム１２０を前進させて、推定された現在のスタンドオフ距離を目標スタンドオフ距離に維持することができる。 次いで、コントローラ１８０は、システム１００によって完成された推定掘削距離が閾値距離（例えば、１インチ）を超えると、又は閾値継続時間の後、次のスタンドオフ測定サイクルをトリガすることができる。

例えば、スタンドオフ測定サイクル中にスタンドオフ距離を記録した後、コントローラ１８０は、前のスタンドオフ測定サイクル以降の非接触掘削要素ラム１７０及び推進システム１２０の位置の変化と、このスタンドオフ長測定値を合計して、現在と前のスタンドオフ測定サイクルの間の掘削間隔にわたる総掘削距離を計算することができる。この例では、コントローラ１８０は、この掘削間隔中に掘削パラメータを記録し、この掘削間隔 (及び前の掘削間隔) にわたって収集されたデータに基づいて、時間の関数として線形掘削距離を掘削パラメータ及びスタンドオフ距離にリンクするスタンドオフ距離モデルを計算又は改良することもできる。次いで、コントローラ１８０は、デッドレコニング技法を実装して、スタンドオフ距離モデルと、掘削間隔中の掘削パラメータと、最後に推定されたスタンドオフ距離に基づいて、次の掘削間隔にわたって線形掘削距離を推定しこの線形掘削距離に基づいてスタンドオフ距離を再推定し、この掘削間隔中に非接触掘削要素ラム１７０及び／又は推進システム１２０を前進させて、非接触掘削要素１３０と掘削面２００との間の実際のスタンドオフ距離を目標スタンドオフ距離に維持することができる。

図４Ａ及び４Ｂに示すように、実施例の一変形例では、非接触掘削要素１３０はプラズマトーチ１３２である。この変形例では、接触プローブ１９２を電気的にシールドすることができ、システム１００は定期的又は連続的に深度センサ１９０からスタンドオフ距離を読み取ることができる。例えば、接触プローブ１９２は、ステンレス鋼又は低合金鋼シャフトを含むことができ、プラズマトーチ１３２内のカソードと同じ電圧、又はプラズマトーチ１３２内のカソードとアノードの平均電圧などの基準電圧に駆動され、それによってプラズマトーチ１３２と掘削面２００との間を流れる荷電プラズマ、ガス、及び破片をはじく電場を接触プローブ１９２の周りに生成することができる。

したがって、この実装では、コントローラ１８０は、接触プローブ１９２を前方に駆動して、掘削面２００との連続的又は実質的に連続的な接触を維持することができ、またコントローラ１８０は、プラズマトーチラム１７０及び／又は推進システム１２０を前方に駆動して、深度センサ１９０によって読み取られ出力される標準距離に基づくプラズマトーチ１３２と掘削面２００との間の目標スタンドオフ距離を維持することができる。

あるいは、深度センサ１９０は、例えば、接触プローブ１９２を部分的に後退させて破断を可能にすることによって、動作中に接触プローブ１９２を前後に（例えば、図４Ｂに示されるＸ軸に沿って）定期的又は連続的に振動させることができる。 例えば、接触プローブ１９２を部分的に後退させて、接触プローブ１９２の前方の掘削面２００で岩石の破砕及び破砕を可能にするか、又は接触プローブ１９２をシャーシ１１０内の熱的に遮蔽されたハウジング内に完全に後退させて、接触プローブ１９２を冷却可能にし、そして接触プローブ１９２を前進させて掘削面２００に接触させる。接触プローブ１９２が掘削面２００に接触すると、コントローラ１８０は、上述のように現在のスタンドオフ距離を決定又は計算することができる。

コントローラ１８０はまた、プラズマトーチラム１７０及び／又は推進システム１２０を定期的に前方に駆動して、プラズマトーチ１３０と掘削面２００との最後の接触時に測定された接触プローブ１９２の長さに基づいて、プラズマトーチ１３０と掘削面２００との間の目標スタンドオフ距離を維持することもできる。 さらに、コントローラ１８０は、推測航法技術を実施して、現在のスタンドオフ距離を推定し、プラズマトーチラム１７０の位置を調整し、及び／又は推進システム１２０を前進させて、この推定された現在のスタンドオフ距離を目標スタンドオフ距離に維持し、接触プローブ１９２による連続スタンドオフ距離測定間の時間間隔で、プラズマトーチ１３２への電力及びガス流量などの掘削パラメータを調整することができる。

実施例の別の変形では、システム１００は、それぞれシステム１００の前面から延び、システム１００の前面上のその位置から掘削面上の対応する位置までの距離を測定するように構成される複数の接触式深度センサ１９０を含む。

一実装形態では、システム１００は、システム１００の前面の周囲にパターンで配置された接触式深度センサ１９０のセットを含む。接触式深度センサ１９０のセットは、協働して掘削面２００までの深さの範囲を決定し、そこからコントローラ１８０が掘削面２００のトポグラフィを推定又は補間することができるように配置された、２つ以上の深度センサ１９０を含むことができる。例えば、３つ、４つ、５つ、６つなどの接触式深度センサ１９０のセットを、システム１００の前面の周りに対称的又は非対称的に配置して、３つ、４つ、５つ、６つなどの深さ測定点を提供することができ、コントローラ１８０はそこから掘削面２００の一般化されたトポグラフィを決定することができ、それに基づいてコントローラ１８０は閉ループ制御を実施してシステム性能を管理及び最適化することができる。

実施例のこの変形では、システム１００は、各接触式深度センサ１９０から掘削面２００までの距離を定期的又は断続的に測定するために、上述の方法及び技術を実施する。 掘削面２００までの最短距離。次に、コントローラ１８０は、掘削面２００における低収率（又は最も弾力性のある）領域の位置を一般に表すことができる、掘削面２００までの最短距離を示す特定の接触プローブ１９２を識別し、特定の接触プローブ１９２と掘削面２００の対応する低収率領域との間のスタンドオフ距離を目標スタンドオフ距離に設定するために、プラズマトーチラム１７０及び／又は推進システム１２０を掘削面２００に向かって前進させる。

図４Ｂに示すように、コントローラ１８０はまた、例えば最短スタンドオフ距離３００と深度センサ１９０のセットによって測定された最長スタンドオフ距離３０２との間の差に比例する角距離だけ、プラズマトーチラム１７０を深度センサ１９０の方向に傾ける（例えば、ピッチ、ヨー）ことができる。プラズマトーチ１３２の軸が掘削面の低収率領域により近い方向に向けられると、システム１００は、掘削面２００のこの低収率領域を優先的に加熱し、破砕することができる。コントローラ１８０はまた、掘削面２００からの材料の除去を予測する推測航法を実施し、コントローラ１８０が掘削面２００の低収率領域からの材料の除去及び掘削面２００の平坦化又は平滑化を予測すると、プラズマトーチ１３２を掘削と同軸のその中心位置に戻すことができる。

同様の実装において、各深度センサ１９０でスタンドオフ距離を測定した後、コントローラ１８０は、これらのスタンドオフ測定値とシステム１００の前面上のこれらの深度センサ１９０の既知の位置に基づいて、掘削の周囲の深さプロファイルを補間することができる。一般に、深さプロファイルの最も浅いセクションは掘削面２００での低収率領域を表し、掘削面２００に対するシステム１００の現在の位置を考慮に入れると、深さプロファイルの最も深いセクションは掘削面２００での最大収率領域を表す。したがって、プラズマトーチ１３２の現在の動作パラメータを考慮に入れると、コントローラ１８０は、例えば深さプロファイルの最も浅いセクションと最も深いセクションとの間の距離に比例し又は深さプロファイルの最も浅いセクションと公称掘削面の平面との間の距離に比例する角度距離まで深さプロファイルの最も浅いセクションの方向にプラズマトーチ１３２を傾斜させ、掘削面２００のこの低収率領域を優先的に加熱及び破砕するために、プラズマトーチ１３２の軸を掘削面２００の低収率領域に向けた状態で、プラズマトーチ１３２の作動を継続又は再開することができる。この低収率領域に材料除去を集中させるために、コントローラ１８０は、目標スタンドオフ距離を減少させ、掘削面２００のこの低収率領域での圧力を増加させながらこの低収率領域での材料の溶融を防止するために、プラズマトーチ１３２へのガス流量及び／又は電力を維持（又は増加）することができる。上記のように、コントローラ１８０は、推測航法を実装して、掘削面からの材料の除去を予測し、及び／又は掘削プロファイルの変化を直接測定することができる。コントローラ１８０が、この低収率領域から公称掘削面形状に向かう材料の除去を予測又は測定すると、コントローラ１８０は、プラズマトーチ１３２を深さプロファイルの次に最も浅いセクションに向かって傾斜させ、プラズマトーチ１３２をピッチ及びヨー位置ゼロ度に再センタリングして、掘削の軸に平行な長手方向掘削を再開する前に、掘削面２００を公称掘削面形状に水平にするために前述のプロセスを繰り返すことができる。

したがって、この変形例では、システム１００は掘削の縦軸に対して異なる角度位置までトーチをスキャンして、システム１００の前端から掘削面２００の周囲までのスタンドオフ距離に基づいて、掘削面２００の低収率領域からの材料除去を選択的に増加させることができる。

同様の変形例では、システム１００は、システム１００の前面の軸中心付近に配置されるなど、接触式深度センサ１９０の外側のセットから挿入された中央接触式深度センサ１９０をさらに含む。したがって、コントローラ１８０は、中心深度センサ１９０からのスタンドオフ測定値を周辺深度センサ１９０のセットからの同時スタンドオフ測定値と融合して、掘削面２００にわたる掘削プロファイルを補間することができる。

例えば、掘削プロファイルが、掘削面２００の周囲から掘削面２００の中心までの勾配を表しており、それが目標深さ範囲未満である場合（すなわち、掘削面が過度に平坦である場合）、コントローラ１８０は、掘削が大き過ぎると予測することができる。したがって、コントローラ１８０は、中心深度センサ１９０から掘削面２００の中心までの目標スタンドオフ距離を減少させて、掘削の周囲での熱材料除去を減少させるとともに、この短縮された目標スタンドオフ距離を考慮して掘削面２００の中心付近での溶融を防止するために、プラズマトーチ１３２への電力を減らすことができる。この例では、コントローラ１８０は、追加的又は代替的に、推進システム１２０及び／又はプラズマトーチラム１７０の前進速度を、掘削面にわたる浅い勾配と同時に高い除去速度を計算することに応答して増加させることができる。

逆に、掘削面２００の周囲から掘削面２００の中心までの勾配が目標深さ範囲よりも大きい（すなわち、掘削面２００が過度に円錐形である）場合、コントローラ１８０は、掘削が小さ過ぎてシステム１００が前進するには狭過ぎると予測することができる。したがって、コントローラ１８０は、掘削の周囲でより大きな圧力及びエネルギーを達成するために、目標オフセット距離、電力、及びガス流量を増加させることができる。この例では、コントローラ１８０は、掘削面２００にわたる急な勾配と同時に低い除去速度を計算することに応答して（後述するように）、推進システム１２０及び／又はプラズマトーチラム１７０の前進速度を追加的又は代替的に減少させることができる。

したがって、この変形では、システム１００は、プラズマトーチ１３２を掘削面２００にわたる異なる位置まで（例えば、ピッチ、ヨー、Ｚ軸に沿った仰角、Ｙ軸に沿った並進）スキャン又はラスターして、システム１００の前端から掘削面２００にわたる複数の位置との間のスタンドオフ距離から導き出される掘削面２００のプロファイルに基づいて、掘削面２００の低収率領域からの材料除去を選択的に増加させることができる。

図２に示される実施例の別の変形では、システム１００は、１つ又は複数の一点非接触深度センサ１９０を含む。

一実装形態では、システム１００は、熱的に遮蔽されたセンサハウジングと、シャッターハウジングの開口部にわたって配置された熱的に遮蔽されたシャッターと、シャッターの後ろのハウジングに配置された、１９０レーダーベースの深度センサ（ミリ波レーダーセンサなど）、赤外線センサ、超音波センサ、レーザー（ＬＩＤＡＲ、ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔなど）センサなどの一点深度センサを含む。

動作中、コントローラ１８０は、シャッターを開き、深度センサ１９０をサンプリングして掘削面２００上の点で深さ測定値を捕捉し、次いで、シャッターを閉じて深度センサ１９０を過剰な熱から保護することができる。 例えば、コントローラ１８０は、深度センサ１９０を間欠的にトリガして、上述のように毎分１回などのスタンドオフ測定サイクルを実行することができる。

あるいは、システム１００は、センサハウジング内に温度センサを含むことができる。動作中、コントローラ１８０は、この温度センサを定期的にサンプリングし、シャッターを開いて、ハウジング内の温度が動作温度範囲を下回ったときに深度センサ１９０からスタンドオフ測定値を読み取って、ハウジング内の温度が動作温度範囲を超えたら、シャッターを閉じてスタンドオフ測定を停止することができる。

この変形では、システム１００は、上述の方法及び技法を実施して、深度センサ１９０の出力に基づいて非接触掘削要素１３０から掘削面２００までのスタンドオフ距離を検証し、非接触掘削要素ラム１７０及び／又は推進システム１２０を再配置するして、目標スタンドオフ距離を維持することができる。

この変形では、システム１００はまた、複数の単一点非接触深度センサ１９０を含み、掘削周囲又は掘削面プロファイルを計算するために上記の方法及び技術を実装し、次いで、本明細書に記載の方法及び技法を実施して、この掘削周囲又は掘削面プロファイルに従って非接触掘削要素１３０の向き及び関連する掘削パラメータを調整することができる。

実施例の別の変形では、システム１００は、熱的に遮蔽されたセンサハウジングと、シャッターハウジング内の開口部にわたって配置された熱的に遮蔽されたシャッターと、シャッターの後ろのハウジング内に配置された、多点ミリ波レーダーセンサ、２Ｄデプスカメラ、又は３Ｄ ＬＩＤＡＲカメラのようなレーダーベースの深度センサ１９０などの多点深度センサ１９０を含む。この実装では、コントローラ１８０は、シャッターを開いてスタンドオフ測定サイクル中に深度センサ１９０をサンプリングし、スタンドオフ測定サイクル中に深度センサ１９０の出力から掘削面プロファイルを導き出し、それに応じて上述のようにシステム１００の動作を調整することができる。

例えば、コントローラ１８０は、複数の深さ測定値を含む深度センサ１９０の出力から掘削面２００上の複数の点への掘削面２００の３Ｄプロファイルを直接補間し、非接触掘削要素１３０を、掘削面プロファイルで表される最も浅い領域に対応する向きに傾け、それによって、非接触掘削要素１３０を、掘削面２００の対応する低収率領域により近づけ、この低収率領域から掘削の中心への勾配に比例して掘削面のこの低収率領域での目標スタンドオフ距離を減少させ、非接触掘削要素１３０の掘削パラメータを調整して、掘削面２００のこの低収率領域での材料の溶融を防止することができる。

実施例のこの変形では、コントローラ１８０は、掘削面２００のこの低収率領域から材料を除去しながら間欠的又は連続的に深度センサ１９０をサンプリングし続け、それに応じて掘削面のプロファイルを再計算し、そして、非接触掘削要素１３０の向きを変えて、こうしてコントローラ１８０によって計算された後続の各掘削面プロファイルで検出された最低収率領域と位置合わせすることができる。特に、掘削面プロファイルにわたる勾配が小さくなると、コントローラ１８０は、非接触掘削要素１３０の長手方向軸を掘削の長手方向軸と再中心合わせし、スタンドオフ距離を増加させ、非接触掘削要素の掘削パラメータを調整して、掘削要素１３０と接触して、掘削面２００全体にわたって材料のより均一な破砕、ガス化、破砕、及び一般的な除去を達成することができる。

実施例の他の変形では、システム１００は、接触センサと非接触センサの組み合わせを含む一組の深度センサ１９０を含むことができる。さらに、実施例のさらに他の変形例では、システムは、サブコンポーネント又は機能（例えば、ＬＩＤＡＲ距離計と対になった光学カメラ）を含む非接触深度センサ１９０を含み、温度プロファイル又は掘削面２００の位相プロファイルに関する光学データ又は位相データを提供することができるが、これについては以下でより詳細に説明する。
５．２ 閉ループ制御：温度制御

図６に示すように、実施例の一変形例では、非接触掘削要素１３０は、ブレイトン式ターボジェットエンジンを含むカッターヘッド１４０を含む。 実施例のこの変形では、コントローラ１８０は閉ループ制御を使用して、掘削面２００に向けられる排気ガス２２０の目標温度を維持することができる。あるいは、本明細書で説明される閉ループ温度制御は、１つ又は複数のプラズマトーチ１３２及び／又は火炎ジェットを含む他のタイプの非接触掘削要素１３０に適用することができる。

図６に示されるように、システム１００のこの変形は、コントローラ１８０と、ノズル１６０の出口付近（例えば、ノズル１６０の出口付近、又はノズル１６０と掘削面２００との間）に配置された温度センサ１５６（例えば、熱電対）と、火炎管に噴射される燃料の割合を調整するように構成されている燃料調量ユニット１４６を含むことができる。一般に、動作中、コントローラ１８０は、温度センサ１５６によって出力された信号に基づいてノズル１４０を出る排気ガス２２０の温度を追跡して、燃料計量ユニット１４６を介して燃焼器１４４に入る燃料の速度を調整して、ノズル１４０を出る排気ガス２２０の温度を、すべての地質の融解温度よりも低く、又は、掘削面２００で予測又は検出された特定の地質の融解温度よりも低く維持することができる。

特に、コントローラ１８０は、以下に説明するように目標排気ガス温度を設定し、ノズル１４０を出る排気ガス２２０の温度を追跡するために温度センサ１５６をサンプリングし、次いで、これらの排気ガス２２０の温度が目標温度よりも低い場合には、燃料調量ユニット１５６を調整するための閉ループ制御を実行して燃焼器１４４に噴射される燃料の割合を増加させるが、排気ガス２２０の温度が目標温度よりも高い場合には、燃料調量ユニット１４６を調整して燃焼器１４４に噴射される燃料の割合を減少させることができる。例えば、コントローラ１８０は、排気ガス２２０の温度を１０Ｈｚの周波数で読み取り、次いで、これらの温度の平均を計算し、この平均温度に基づいて１Ｈｚの周波数で燃料流量を更新することができる。

実施例の一変形例では、システム１００は、燃焼器１４４の希釈ゾーンに入る圧縮空気の第２の部分に対する燃焼器１４４の一次ゾーンに入る圧縮空気の第１の部分の希釈比を変化させるように構成された空気計量ユニット１４８をさらに含む。

一実装形態では、空気計量ユニット１４８は、スリーブ１５０が燃焼器１４４内の穿孔の第１のセットを完全に露出するとともに穿孔の第２のセットを完全に取り囲む１：０の希釈比位置と、スリーブ１５０が燃焼器１４４内の穿孔の第１のセットを大部分露出するとともに穿孔の第２のセットを大部分取り囲む２：１の希釈比位置と、スリーブ１５０が燃焼器１４４内の穿孔の第１及び第２のセットを同様に露出する１：１の希釈比位置と、スリーブ１５０が燃焼器１４４内の穿孔の第１のセットを大部分取り囲むとともに穿孔の第２のセットを大部分露出する１：２の希釈比位置を含むような、燃焼器１４４に沿った位置範囲にわたって摺動するように構成されたスリーブ１５０を含む。

実施例のこの変形では、空気計量ユニット１４８はまた、この範囲の位置に沿ってスリーブ１５０を移動させるように構成されたアクチュエータ１５２を含むことができる。したがって、動作中、コントローラ１８０は、目標排気ガス温度を以下に説明するように設定し、ノズル１４０を出る排気ガス２２０の温度を検出し、閉ループ制御を実施して、排気ガス２２０の温度が目標温度よりも低い場合には、空気計量ユニット１４８を調整して、目標空燃比を維持するように希釈比を増加させるとともに燃料流量を増加させ、排気ガス２２０の温度が目標温度よりも高い場合には、空気計量ユニット１４８を調整して、目標空燃比を維持するように希釈比を減少させるとともに燃料流量を減少させることができる。

一般に、コントローラ１８０は、公称掘削地質に基づいて、又はリアルタイムの掘削特性に基づいて、目標排気ガス温度を設定し、次いで、閉ループ制御を実施して、ノズル１４０を出る排気ガス２２０の測定温度と目標温度との差に基づいて、燃焼器１４４内の燃料流量及び／又は希釈率を調整することができる。

例えば、前述の実装では、コントローラは、８２５℃、すなわち、ほとんどの地質の最低融解温度よりも低い固定目標排気ガス温度を設定及び実装することができる。

コントローラ１８０はまた、目標排気ガス温度を上昇させ、燃料流量及び／又は希釈率を調整してこの排気ガス温度を達成し、上記のようにスタンドオフ距離を測定し、現在の掘削速度を計算するとともにこの温度試験ループを繰り返すことを含む温度試験ループを定期的に実施することができる。現在の掘削速度がより低い目標温度での以前の掘削速度よりも大きい場合（例えば、掘削面の材料が今より大きな速度で破砕し、掘削面から放出されている場合）、コントローラ１８０は、目標排気ガス温度をさらに上昇させてプロセスを繰り返すことができる。しかしながら、現在の掘削速度がより低い目標温度での以前の掘削速度よりも小さい場合（例えば、掘削面の材料が破砕ではなく溶融している場合）、コントローラ１８０は目標排気ガス温度を下げ、この温度試験ループを繰り返すことができる。したがって、この例では、コントローラ１８０は、高い熱衝撃と硬い地質の破砕を維持するために目標排気ガス温度を上げることと、より軟らかい地質の融解を防止するために目標排気ガス温度を下げ、それによって、排気温度を表面の平均破砕温度より高く且つ表面上の任意の点の最低融解温度より低く維持することによって掘削面２００から除去される材料を最大にすることを含むような、リアルタイムの掘削速度に基づく目標排気ガス温度の調整を行うことができる。
５．３ 閉ループ制御：除去速度

システム１００は、追加的又は代替的に、除去速度を計算し、この除去速度と目標除去速度（又は目標除去速度範囲）との差に基づいて電力、ガス流量、及び／又は目標スタンドオフ距離などを調整することができる。特に、コントローラ１８０は、上述のように、スタンドオフ距離、非接触掘削要素の向き、及び掘削パラメータを調整するための閉ループ制御を実施して、掘削からの最小の除去速度 (又は最小の前進) を維持しながら溶融することなく、掘削面２００での岩石の均一な破砕及び破砕を維持することができる。

例えば、プラズマトーチ１３２の構成では、プラズマトーチ１３２への電力を増加させると、プラズマトーチ１３２を通過するガス流量が増大し、したがって掘削面２００での圧力が増大し、除去速度が増大する。 しかし、プラズマトーチ１３２を通る電力及びガス流量が大きくなると、プラズマトーチ１３２の構成要素の動作寿命が非線形的に短くなり、これらのプラズマトーチ１３２の構成要素を使用した掘削の総除去量が減少し、保守のためにシステム１００を掘削からより頻繁に引き抜くことが必要になり、より大きな電力とガスの供給が必要になり、 システム１００の全体的な動作効率を低下させる。

同様に、ジェットエンジンカッターヘッド構成１４０では、空気流、燃料流、及びアフターバーナーの使用を増加させると、掘削面２００での温度及び圧力が上昇し、一時的により高い除去速度が得られる。 しかしながら、カッターヘッド１４０の完全燃焼のシナリオはまた、材料の溶融をもたらす掘削面２００での温度スパイクをもたらし、掘削を通るシステム１００のさらなる前進を妨げる大きな破片の破片を生成し、カッターヘッド１４０の構成要素の摩耗率と交換率の増加を誘発し、システム１００の全体的な動作効率を低下させる一方でシステム１００の動作コストを大幅に増加させる可能性がある。したがって、コントローラ１８０は、システムの動作パラメータを調整するために閉ループ制御を実施して、掘削からの最小除去速度と高い全体的な操作効率の両方を維持することができる。

１つの単一点深度センサ１９０を含むシステム１００のバリエーションでは、コントローラ１８０は、上述の方法及び技法を実施し、ある時間間隔（例えば、２つのスタンドオフ測定サイクル間）でのスタンドオフ測定の変化、非接触掘削要素ラム１７０の前進、及びシャーシ１１０の前進の変化を合計し、この合計をこの時間間隔の長さで除算することによって、掘削面２００の前進速度を計算する。次いで、コントローラ１８０は、前進速度に掘削の公称断面積又は目標断面積を掛けることによって、掘削面２００からの除去速度（例えば、材料の体積）を計算することができる。

あるいは、複数の単一点深度センサ１９０及び／又は多点深度センサ１９０を含むシステム１００の変形では、コントローラ１８０は、上述の方法及び技術を実施して連続スタンドオフ測定サイクル中に掘削面プロファイルを計算し、これらのスタンドオフ測定サイクル間の時間間隔にわたるスタンドオフ測定、非接触掘削要素ラム１７０の前進、及びシャーシ１１０の前進の変化の合計に基づいて、２つの連続する掘削面プロファイル間のオフセット距離を計算し、このオフセット距離に基づいてこれらの掘削面プロファイル間の体積を計算し、次いで、この堆積をこの時間間隔の長さで除算して、この時間間隔中の除去速度を計算することができる。

この変形では、コントローラ１８０は、掘削の単一の目標除去速度にアクセスし、次いで閉ループ制御を実施して、電力、ガス流量、燃料流量、空気流量、排気ガス温度、及び／又は目標スタンドオフ距離を含む掘削パラメータを、目標除去速度に基づいて調整することができる。

あるいは、オペレータは、掘削の目標深さ及び掘削の計画された経路に沿った間隔でコアサンプルを収集し、これらのコアサンプルを処理して、計画された経路に沿って地質を導き出して、これらの地質に基づいて目標除去速度スケジュールを生成することができる。例えば、オペレータは、緩い土によって特徴付けられる計画された経路の部分に沿った高い目標除去速度と、砂岩で特徴付けられる計画された経路の部分に沿った中程度から高い目標除去速度と、石灰岩で特徴付けられる計画された経路の部分に沿った中程度の目標除去速度と、目標除去速度スケジュールで花崗岩によって特徴付けられる計画された経路の部分に沿った低い目標除去速度を指定することができる。

したがって、動作中、コントローラ１８０は、掘削の計画された経路に沿ってその位置を追跡し、システム１００によって現在占有されている掘削部分での目標除去速度について目標除去速度スケジュールを照会し、次いでこの目標除去速度をロードすることができる。

動作中、コントローラ１８０は、現在の除去速度を目標除去速度と比較し、この差に基づいて掘削パラメータを調整することができる。

特に、目標除去速度を下回る除去速度の減少は、掘削面２００の破砕及び破砕ではなく掘削面２００での岩石の融解の結果、又は、掘削面での地質の（例えば、ＳｉＯ₂の少ない材料へ）変化の結果として生じる可能性がある。前者の場合、コントローラ１８０は、掘削面での溶融を低減するために、例えばプラズマトーチ１３２構成において電力及びガス流量を減少させ、及び／又はスタンドオフ距離を増加させることによって、掘削パラメータを調整することができる。後者の場合、コントローラ１８０は、掘削面２００での圧力を増加させ、ひいては破砕及び破砕を増加させるために、例えば電力及びガス流量を増加させ、及び／又はプラズマトーチ１３２構成におけるスタンドオフ距離を減少させることにより、掘削パラメータを調整することができる。カッターヘッド１４０の構成では、コントローラ１８０は、同様に例えば燃料流量、空気流量、排気温度、及び／又はスタンドオフ距離といった掘削パラメータを調整して、掘削面２００における圧力及び／又は温度を減少又は増加させて、地質の変化に適応させることができる。

１つの実施例では、現在の除去速度が目標除去速度よりも小さい場合、コントローラ１８０は、最初に目標スタンドオフ距離を（例えば、０．５００インチのステップ幅だけ）増加させて、第１の時間間隔にわたって他の掘削パラメータを維持しながら、掘削要素ラム１７０を後退させることができる。次いで、コントローラ１８０は、スタンドオフ測定サイクルを実行し、掘削面２００からの除去速度を再計算することができる。この除去速度が増加した場合、コントローラ１８０は、目標スタンドオフ距離をさらに増加させ、それに応じて非接触掘削要素ラム１７０を後退させて（例えば０．５００インチの追加ステップ幅で)、現在の除去速度を再テストすることができる。コントローラ１８０は、除去速度が減少するか、又は除去速度の閾値変化未満に減少するまで、このプロセスを繰り返すことができ、その時点で、コントローラ１８０は、目標スタンドオフ距離を減少させ、非接触掘削要素ラム１７０を前進させ、同様の方法及び技術を実施して、 調整された掘削パラメータが除去速度に及ぼす影響をテストすることができる。

したがって、この実装では、コントローラ１８０は、掘削面２００ｗの溶融による除去速度の低下を先取りするために、最初に目標スタンドオフ距離を増加させることができる。非接触掘削要素１３０と掘削面２００との間のスタンドオフ距離の増加が除去速度を増加させる場合、コントローラ１８０は、除去速度の減少が掘削面２００での材料の溶融によるものであることを確認し、スタンドオフ距離を繰り返し増加させて、さらなる材料溶融をもたらす掘削パラメータを増加させる前に、除去速度をさらに増加させるとともに掘削面２００での溶融をさらに減少させることができる。

しかし、スタンドオフ距離の増加が除去速度を減少させるか又は影響を及ぼさない場合、コントローラ１８０は、除去速度の減少が掘削面２００での地質学の変化によるものであると予測することができる。したがって、コントローラ２００は、目標スタンドオフ距離を減少させ、掘削面２００での圧力を増加させるために、必要に応じて掘削パラメータを調整することができる。例えば、コントローラは、スタンドオフ距離を繰り返し減少させ、スタンドオフ測定サイクルを実行し、除去速度を再計算し、 スタンドオフ距離の減少に対応する除去速度の増加を検証することができる。スタンドオフ距離の減少に応じた除去速度の増加を検証すると、コントローラは、掘削面２００での圧力を増加させるために掘削パラメータを繰り返し調整し、除去速度を再計算し、次いで、掘削面２００での圧力のさらに増加して除去速度が減少すると、掘削パラメータを再調整又は維持することができる。

したがって、この実装では、コントローラ１８０は、最初に、除去速度の減少に応答して目標スタンドオフ距離を増加させ、目標スタンドオフ距離のこの増加が除去速度を改善することを検証し、次いで、目標スタンドオフ距離を増加させても除去速度が改善されなかったことを検証した場合には目標スタンドオフ距離のみを減少させ、これにより、掘削面２００のさらなる溶融と掘削内及び排出システムに沿ったスラグの生成を先取りすることができる。

追加的又は代替的に、コントローラ１８０は、同様の方法及び技法を実施して、まず、掘削パラメータを調整して、除去速度の低下に応じて掘削面２００での圧力を低下させ、調整された掘削パラメータが除去速度を改善することを検証し、次いで、掘削面２００における圧力の以前の減少のために除去速度を改善できなかったことを検証した場合には、掘削面２００における圧力を増加させるために掘削パラメータを再調整又は維持のみを行い、これにより、掘削面２００のさらなる溶融と掘削内及び排出システムに沿ったスラグの生成を先取りすることができる。
５．４ 閉ループ制御：掘削面の特徴付け

図６に示される実施例の別の変形例では、システム１００は、掘削面２００に向けられ、ジェット衝突領域の画像（例えば、カラー画像、赤外線画像）を出力するように構成された光学センサ１６４を含む。この例では、コントローラ１８０は、光学センサ１６４によって取り込まれた掘削面２００の画像にアクセスして、掘削面２００における溶融材料を示す「明るい」（すなわち、高強度、高色値）ピクセルについて画像をスキャンする。このようにコントローラ１８０が画像内の「明るい」領域を検出し、したがって掘削面２００における溶融材料を示すと、コントローラ１８０は、目標排気ガス温度を下げることができる。 逆に、コントローラ１８０が画像内に「明るい」領域を検出せず、したがって掘削面２００に溶融材料がないことを示す場合、コントローラ１８０は、目標排気ガス温度を上昇させることができる。次いで、コントローラ１８０は、燃焼器１４４における燃料流量及び／又は希釈比を調整して、この更新された目標排気ガス温度を達成することができる。コントローラ１８０は、１Ｈｚの周波数などで、このプロセスを定期的に繰り返すことができる。

前述の例では、コントローラ１８０は、同様の方法及び技法を実施して、光学センサによって取り込まれた画像に基づいて、掘削面２００上のより高温の－しかしまだ溶融していない－領域（例えば、「ホットスポット」）を検出し、 それに応じて目標排気ガス温度を更新することができる。

一般に、光センサ１６４は、非接触掘削中に掘削面２００又はその付近で放出された光子の周波数及び振幅を検出し、検出された周波数及び振幅を掘削面２００の画像に変換するように構成される。一実施形態では、光学センサ１６４は、公称スタンドオフ距離からの非接触熱衝突点又はその付近で掘削面２００をスキャンすることができる。あるいは、光センサ１６４は、掘削面２００の全面静的スキャンを実施して、非接触掘削要素１３０による衝突後に放出された光子を検出することができる。別の代替実施形態では、光学センサ１６４は、例えば非接触掘削要素ラム１７０に取り付けられるか又はそれと協働して移動することによって、非接触掘削要素サブアセンブリのラスタパターンに追従することができる。
実施例の変形例では、光学センサ１６４は、掘削面２００の光学スキャン中に掘削面２００を照明するための光源（図示しない）と対にすることができる。

一実装形態では、光学センサ１６４は、赤緑青（ＲＧＢ）カメラ検出器を使用して、掘削面で放出及び／又は反射された光子を検出及び解釈することができる。 ＲＧＢカメラ検出器を使用して、光センサ１６４は、掘削面２００での光子放出及び／又は反射をＲＧＢビューで表す２次元画像を生成し記憶することができる。別の実装では、光センサ１６４は、シアン－マゼンタ－黄－黒（ＣＭＹＫ）カメラ検出器を使用して、掘削面で放出及び／又は反射された光子を検出及び解釈することができる。ＣＭＹＫカメラ検出器を使用して、光学センサ１６４は、ＣＭＹＫビューでの掘削面２００での光子放出及び／又は反射を表す２次元画像を生成し記憶することができる。別の実装では、光学センサ１６４は、赤外線（近赤外線又は遠赤外線）カメラ検出器を使用して、掘削面で放出及び／又は反射された光子を検出及び解釈することができる。赤外線カメラシステムを使用して、光学センサ１６４は、赤外線ビューで掘削面１５０の二次元画像を生成し記憶することができる。

別の変形では、光センサ１６４は、ＲＧＢ、ＣＭＹＫ、赤外線、マルチスペクトル、及びハイパースペクトル検出器の組み合わせを含み、掘削プロセス中に並行して又は連続して使用される。例えば、システムは、ハイパースペクトル撮像装置と組み合わせて又は連続してＲＧＢカメラ検出器を利用して、掘削面２００の可視光及び非可視光描写を得ることができる。コントローラ１８０は次に、それぞれの画像を、掘削面２００の現在又は現在に近い温度プロファイルを示す掘削面２００のより完全なスペクトルのビューに融合又は統合することができる。

追加的又は代替的に、システム１００は、オブジェクト追跡技術を実装して、光学センサ１６４によってキャプチャされた一連の画像で検出された特徴に基づいて掘削面から移動する材料を検出及び追跡し、これらの画像で破片として識別されたピクセルの色、明るさ、及び／又は強度に基づいて、この物質の温度又は位相を推定することができる。次いで、コントローラ１８０は、掘削面２００から移動する溶融材料が検出されない場合には目標排気ガス温度を上昇させることができ、あるいは逆に、掘削面２００から移動する溶融材料が検出された場合には目標排気ガス温度を下げることができる。コントローラ１８０は、コントローラ１８０と通信するセンサ又は検出器によって検出又は追跡される任意の他のリアルタイム又はほぼリアルタイムの掘削特性に基づいて、目標排気ガス温度を調整することができる。
６． 構成例

一般に、本明細書に記載の技術及び方法は、プラズマトーチ、ジェットエンジン推力、火炎ジェット、音響エネルギー、電磁放射（例えば、レーザー、ミリ波指向性エネルギー）、又はそれらの組み合わせ又はサブコンビネーションを含むがこれらには限定されない、任意のタイプ又はモダリティの非接触掘削に適用され得る。したがって、以下の実施例は、非接触掘削要素の他のタイプ又はモダリティの適用性に関して非限定的であると理解されるべきである。
６．１ 例：プラズマトーチシステム

図４Ａ及び４Ｂに示されるシステム１００の１つのバリエーションでは、システム１００は、シャーシ１１０と、シャーシを掘削面２００に向かって第１の方向に前進させるとともにシャーシ１１０を掘削面２００から離れる第２の方向に後退させるようにシャーシ１１０とともに配置される推進システム１２０と、電源１３４及びガス供給源１３６に接続されたプラズマトーチ１３２と、プラズマトーチ１３２をシャーシ１１０にプラズマトーチラム１７０を含むことができる。図４Ａ及び４Ｂに示すように、プラズマトーチラム１７０は、プラズマトーチ１３２を少なくとも５自由度に沿って配置するように構成することができる。プラズマトーチラム１７０は、シャーシ１１０上にプラズマトーチ１３２を配置し、第１の方向及び第２の方向に実質的に平行な縦軸（Ｘ軸）に沿うシャーシ１１０に沿ってプラズマトーチ１３２を前進及び後退させ、縦軸に対するピッチ角及び縦軸に対するヨー角に沿ってプラズマトーチ１３２を傾け、縦軸に実質的に垂直な垂直軸（Ｚ軸）に沿ってプラズマトーチ１３２を垂直に持ち上げ又は押し上げ、縦軸及び垂直軸に実質的に垂直な水平軸（Ｙ軸）に沿って横方向にプラズマトーチ１３２を移動させ又は引っ張るように構成することができる。

図２、４Ａ、及び４Ｂに示すように、システム１００はまた、シャーシ１１０と掘削面２００との間のスタンドオフ距離を測定するように構成された深度センサ１９０と、廃棄物をシャーシ１１０と掘削面２００との間の第１の位置から第２の位置に引き込むように構成されたスポイル排出器を含むことができる。例示的な実施形態のこの変形では、システム１００はまた、推進システム１２０とプラズマトーチ１３２とプラズマトーチラム１７０と深度センサ１９０に接続されて、深度センサ１９０がシャーシ１１０と掘削面２００の間のスタンドオフ距離を測定したことに応答して推進システム１２０とプラズマトーチ１３２とプラズマトーチラム１７０と深度センサ１９０を駆動するように構成されたコントローラ１８０を含むことができる。一般に、コントローラ１８０は、上述したタイプ（例えば、スタンドオフ距離、温度制御、除去速度、掘削面の特徴付け）の閉ループ制御を実施して、掘削面２００からの材料の効率的な除去を達成するように、システム１００を自律的又は半自律的に管理及び指示ことができる。

プラズマトーチ１３２の実施例の１つのバリエーションでは、システム１００は、システム１００の前端にアレイ状となるように配置される、複数のプラズマトーチ１３２を含む。例えば、システム１００は、一次中心プラズマトーチ１３２と、一次中心トーチの周りに対称又は非対称パターンで配置された３つ、５つ、又は７つのトーチなどの一組の二次プラズマトーチ１３２とを含むことができる。

この変形例では、コントローラ１８０は、上述の方法及び技法を実施して、システム１００の前端に配置された１又は複数のシングルポイント又はマルチポイント深度センサ１９０の出力に基づいて、掘削面２００までのスタンドオフ距離、掘削面２００の周囲プロファイル、及び／又は掘削面２００の面プロファイルを監視ことができる。さらに、コントローラ１８０は、上述の追加の方法及び技法を実施して、掘削面２００の温度プロファイルを特徴付け及び解釈を行い、掘削面２００で所望の温度（例えば、破片を生成するのに十分で、溶融材料を生成するには不十分な）を維持するように、の１又は複数のセットのプラズマトーチを作動及び方向付けすることができる。さらに、コントローラ１８０は、上述の追加の方法及び技術を実施して、目標除去速度を維持し、計算された除去速度の変動に自律的に調整し、目標除去速度と一致する掘削経路に沿ってシステム１００を自律的に駆動又は操縦することができる。

この変形では、コントローラ１８０は、方法Ｓ１００のブロックを実施して、スタンドオフ距離、除去速度、温度プロファイル、及び掘削面２００のプロファイル測定基準に基づいて、セット内の個々のトーチへの電力及びガス流量を調整することもできる。例えば、上記のように単一のトーチを掘削面２００で検出された低収率領域に向かって傾けてこの領域での熱及び材料除去を増加させるのではなく、代わりに、コントローラ１８０は、この低収率領域に最も近い特定のトーチ（又はトーチのサブセット）への電力及びガス流量フラックスを増加させて、掘削面２００のこの低収率領域を破壊することができる。

この変形では、各プラズマトーチ１３２は、独立して作動するプラズマトーチラム１７０にも取り付けることができる。したがって、コントローラ１８０は、上記のように掘削面の面又は周囲プロファイルを導き出し、プラズマトーチラム１７０を独立して作動させて、各プラズマトーチ１３２を掘削面２００の最後の（又は推定された）面又は周辺プロファイルに基づいて割り当てられたスタンドオフ距離に設定して、掘削面２００の対応する領域からの材料除去速度又は検出された温度に基づいて、これらのプラズマトーチ１３２の目標スタンドオフ距離を独立して調整することができる。
６．２ 例：ジェットエンジンカッターヘッドのバリエーション

図６に示されるシステム１００の別の変形では、システム１００は、シャーシ１１０とカッターヘッド１４０を含むことができ、カッターヘッド１４０は、地上の新鮮な空気供給源から流入する空気を圧縮するように構成された圧縮機１４２と、圧縮機１４２を出る圧縮空気を地上の燃料供給源から流入する燃料と混合して燃料に点火するように構成された燃焼器１４４と、 燃焼燃料及び燃焼器１４４を出る圧縮空気からエネルギーを抽出して圧縮機１４２を回転させるように構成されたタービン１５４と、タービン１５４を出る排気ガス２２０を方向付けて掘削面２００でジェット衝突領域を誘発するように構成されたノズル１６０を含む。図６に示すように、システム１００はまた、カッターヘッド１３０に接続され、掘削面２００に対してカッターヘッド１３０を位置決めする構成されたカッターヘッドラム１７０と、温度センサ１５６と、カッターヘッド１３０と温度センサ１５６とカッターヘッドラム１７０に接続されたコントローラ１８０を含むことができる。実施例のシステム１００のこの変形では、コントローラ１８０は、温度センサ１５６によって出力された信号に基づいてノズル１６０を出る排気ガス２２０の温度を追跡し、燃焼器１４４に入る燃料の速度を調節して、ノズル１６０を出る排気ガス２２０の温度を掘削内に存在する地質の融解温度より低く破砕温度より高く維持するように構成することができる。図２及び図６に示されるように、システム１００はまた、コントローラ１８０に接続され、掘削面２００に向かって第１の方向にシャーシを前進させるとともに掘削面２００から離れる第２の方向にシャーシ１１０を後退させるようにシャーシ１１０とともに配置された推進システム１２０を含むことができる。

システム１００は、燃料供給ラインを含むか、又は燃料供給ラインに結合する。 一実施形態では、燃料供給ラインは、地上燃料リザーバ（例えば、移動式ディーゼル燃料タンク）に接続し、トンネルを通り、動作中にカッターヘッド１４０に燃料を供給するためにカッターヘッド１４０に接続する、熱的に遮蔽された柔軟な燃料ラインを含む。

システム１００は、カッターヘッド１４０に統合され、地上燃料リザーバーから燃料供給ラインを介して燃料を引き出して、カッターヘッド１４０内の最小燃料圧力を維持するように構成された燃料ポンプ (図示しない) を含むこともできる。例えば、システム１００は、タービン１５４から取り出された動力によって駆動される機械式燃料ポンプを含むことができる。あるいは、システム１００は、電動燃料ポンプと、タービン１５４から取り出される動力によって駆動され、電動燃料ポンプに電力を供給して地上燃料リザーバーから燃料を引き出す発電機（又は発電機モードで動作する電動スタータモータ）を含むことができる。

追加的又は代替的に、地上燃料リザーバーは、燃料供給ラインを介してエンジンに向かって燃料を押すように構成された燃料ポンプを含むことができる。 さらに、システム１００は、延長されたトンネル掘削の長さ (数十、数百フィートなど) のような、燃料供給ラインに沿って配置され、燃料圧力を高め、燃料供給ラインに沿って燃料の流れを維持するように構成された一連のインライン燃料ポンプを含むことができる。

さらに、燃料供給ラインが地上燃料リザーバーからトンネルに沿ってカッターヘッド１４０まで延びるとき、燃料供給ラインは、掘削面２００から離れ、カッターヘッド１４０の周りを移動し、トンネルを通ってカッターヘッド１４０の背後にあるトンネル開口部に向かって後方に移動する排気ガスによって加熱される可能性がある。したがって、燃料供給ラインを通って流れる燃料は、カッターヘッド１４０に向かう途中でこれらの排気ガスによって加熱され、これらの排気ガスからいくらかの熱エネルギーを取り戻し、この熱エネルギーをカッターヘッド１４０に戻すことができる。そして、カッターヘッド１４０は、この再利用された熱を、この燃料の燃焼による追加の熱とともに、掘削面２００に返送する。

システム１００はまた、地上の入口を含み、カッターヘッド１４０の背後のトンネルを通って走り、カッターヘッド１４０の入口に接続し、新鮮な空気を供給する外気供給ライン（又は「ホース」）を含むか又はそれに結合し、動作中に圧縮機１４２に新鮮な空気（又は「作動流体」）を供給する。特に、空気供給ラインは、地上から新鮮な空気をカッターヘッド１４０に供給し、カッターヘッド１４０は、この新鮮な空気を圧縮機１４２で圧縮し、この圧縮された新鮮な空気を燃料供給ライン経由で受け取った燃料と混合し、燃焼器１４４内でこの空気燃料混合物に点火し、タービン１５４を介して燃焼し膨張する排気ガスからいくらかのエネルギーを抽出して圧縮機１４２を回転させ、次いでこれらの高温で高質量流量の排気ガス２２０を掘削面２００に向けて放出し、掘削面２００から材料を破砕して除去する。

例えば、空気供給ラインは、フレキシブルダクトホースと、カッターヘッド１４０の直後に続くフレキシブルダクトホースの第１の部分（例えば、エンジンのすぐ後ろの空気ラインの１０フィートの部分）を覆い、フレキシブルダクトホースを高温の排気ガス２２０と掘削面から離れてカッターヘッド１４０の周りを移動する破片から遮断するように構成された、熱遮蔽を含むことができる。この例では、空気供給ラインは、フレキシブルダクトホースの残りの部分に対する熱遮蔽を除外することもできる。したがって、フレキシブルダクトホースのこの第２の部分は、エンジンの背後でフレキシブルダクトホースの周りを移動する排気ガス２２０によって加熱される可能性がある。したがって、ダクトホースを通って移動する新鮮な空気は、カッターヘッド１４０に向かう途中でこれらの排気ガス２２０によって加熱され、これらの排気ガス２２０からいくらかの熱エネルギーを回収してこの熱エネルギーをカッターヘッド１４０に戻すことができ、そしてカッターヘッド１４０はこのリサイクルされた熱を燃料の燃焼による追加の熱とともに掘削面２２０に返送する。したがって、この実装では、空気供給ラインは熱交換器として機能して、掘削面２２０から移動する熱をリサイクルし、この熱をカッターヘッド１４０に戻すことができる。

図６に示されるように、圧縮機１４２は、地上の新鮮な空気供給から流入する空気を圧縮するように構成される。一般に、圧縮機１４２は、本明細書では、タービン１５４と結合され、それによって駆動され、タービン１５４と同じ駆動ライン上に配置されるラジアルコンプレッサを定義するものとして説明される。
例えば、圧縮機１４２は、エンジンに固定して取り付けられた圧縮機静翼のセットと、エンジン内で回転する圧縮機回転子と、圧縮機回転子に取り付けられた圧縮機動翼のセットを含む、シングル又はマルチステージの軸流式圧縮機を含むことができる。しかしながら、圧縮機１４２は、代わりに遠心圧縮機を含むことができる。 圧縮機１４２は、ギアボックス、ベルト駆動、又は他の動力伝達サブシステムを介してタービン１５４によって駆動することもできる。

図６に示されるように、燃焼器１４４は、圧縮機を出る圧縮空気を燃料供給源から流入する燃料と混合し、この燃料混合物に点火するように構成される。一実施形態では、燃焼器１４４は圧縮機１４２及びタービン１５４と平行に配置された１つ又は複数の火炎管を含み、各火炎管は第１セットの穿孔を含む一次ゾーンと、第２セットの穿孔を含む希釈ゾーンとを画定する。この実施形態では、燃焼器１４４は、一次ゾーンの前で火炎管内に燃料を噴霧する燃料計量ユニット１４６に取り付けられた燃料噴射器も含むことができる。動作中、圧縮機１４２を出る圧縮空気の第１の部分は、第１セットの穿孔を介して火炎管の一次ゾーンに移動し、燃料と混合して、目標比率又はその付近の (例えば、化学量論比よりも希薄な) 空気燃料混合物を形成する。次に、この空気燃料混合物は、火炎管の一次ゾーン内で（ほぼ）一定の圧力で（ほぼ完全に）燃焼し、タービン１５４に向かう途中で希釈ゾーンに流れ込む。同時に、圧縮機１４２から出る空気の第２の部分は、火炎管の一次ゾーンの周り及びその外側に移動し、火炎管の第２セットの穿孔を通過して、火炎管の一次ゾーンから希釈ゾーンに移動する高温の燃焼生成物と混合する。圧縮空気のこの第２の部分は、これらの高温燃焼生成物よりもはるかに低温である可能性があり、したがって、燃焼器を出る燃焼生成物の平均温度を下げることができ、したがって、その後ノズル１６０を出て掘削面に向けられる排気ガスの平均温度を下げることができる。

上述したように、システム１００はまた、圧縮空気の第１の部分と、火炎管に進入してその周りで分流される圧縮空気の第２の部分との「希釈比」をそれぞれ制御して、燃焼器への燃料流量を調整するときに、火炎管の一次ゾーン内に目標空気燃料混合物を維持し、排気ガス温度を制御することができる。

図６に示すように、タービン１５４は、燃焼器１４４を出る燃焼生成物からエネルギーを抽出し、圧縮機１４２を回転させるように構成されている。特に、タービン１５４は、エンジンに取り付けられた一組のタービン静翼のセットと、エンジン内で回転し、圧縮機ロータに（例えば、ドライブシャフト及び／又はギアボックスを介して）結合されたタービンロータと、タービンロータに取り付けられたタービン動翼のセットを含むことができる。燃焼器１４４を出る燃焼生成物は、タービン１５４のタービン静翼及び動翼を通って移動する間に等エントロピー的に膨張し、したがって、これらの燃焼生成物の温度及び圧力を減少させて、このエネルギーを圧縮機１４２の回転に変換することができる。

図６に示すように、ノズル１６０は、タービンの出力に結合され、タービンから出る排気ガス２２０を掘削面２００のジェット衝突領域に向けるように構成される。

一実施形態では、システム１００は、排気ガスを掘削面２００に向ける固定面積ノズル１６０を含み、ノズル１６０と掘削面２００の間に、コントローラ１８０によって決められた通り、目標スタンドオフ距離（又は目標スタンドオフ距離の狭い範囲内）で掘削面２００上に目標サイズ（例えば、目標直径）のジェット衝突領域を形成する。例えば、固定面積ノズル１６０は、ノズル１６０の幅の約１０倍の幅の衝突領域をもたらすノズル形状を規定して、厚い境界層によって遮蔽された高温の中心領域を含む排気ガス２２０の流れと、中央領域内の効率的な対流と、中央の流れから掘削面２００への高い熱伝達率、そして、ジェット衝突領域内での高い破砕率を達成することができる。

本明細書で説明するように、コントローラ１８０は、カッターヘッドラム１７０を介して－したがって、掘削面２００に対して－シャーシ１１０上のノズル１６０のスタンドオフ距離及び角度位置を制御して、掘削面２００の表面上の制御された領域のジェット衝突を誘発し、したがって、シャーシ１１０を前方に前進させる前に掘削面２００の１つの別個の断面を均等に掘削することができる。

実施例の一変形例では、システム１００は、排気ガス２２０が流れることができる可変アパーチャ１６２を含む可変面積ノズル１６０を含む。この変形例では、ノズルの面積を調整することによって、コントローラ１８０は、掘削面２００でのジェット衝突面積を調整することができ、したがって、掘削面２００でのジェット衝突面積内の電力密度（すなわち、単位面積当たりの熱流束）を制御することができる。

一般に、圧縮機１４２の速度は、カッターヘッド１４０を通過する空気の質量流量、したがって、掘削面２００におけるジェット衝突領域内の圧力と相関し得る。同様に、燃料流量は、排気ガスの温度、タービン及び圧縮機の速度と相関し得る。したがって、動作中、コントローラ１８０は、排気ガス温度を（固定又は可変の）目標温度まで上昇させるために燃料流量を増加するとともに、ノズル面積を増やして、燃料流量の増加に起因する圧縮機速度の上昇を補償し、ジェット衝突領域全体で制御された（例えば、一定の）圧力を維持するように、閉ループ制御を実施することもできる。 同様に、コントローラ１８０はさらに、燃料流量を減らして排気ガス温度を（固定又は可変の）目標温度まで下げるとともに、ノズル面積を減少させて、燃料流量の減少に起因する圧縮機速度の低下を補償し、ジェット衝突領域全体で制御された（例えば、一定の）圧力を維持するように、閉ループ制御を実施することができる。

同様の例では、コントローラ１８０は、より高い圧縮機速度でノズル面積を増加させる追加の閉ループ制御を実施して、ノズルを出る排気ガスの速度を低下させ、したがって排気ガス流を亜音速に維持することができる。

逆に、コントローラ１８０は、ノズル面積を調整して、超音速の排気ガス流を維持し、掘削面２００での排気ガス流内の第１のショックダイヤモンド（すなわち、局所的な密度及び圧力の急激な変化）を置くことができる。システム１００によって掘削面に配置されたこのショックダイヤモンド内及びその周囲の排気ガス２２０の複雑な流れは、ジェット衝突領域にわたって高率の熱伝達、熱衝撃、及び圧力衝撃をもたらす可能性があり、ジェット衝突領域からの破砕率と材料除去速度が高い。したがって、この実装では、コントローラは、エンジンから掘削面２００までのスタンドオフ距離を、本明細書に記載されたいずれかの方法又は技術のいずれかによって監視し、現在の排気ガス温度とカッターヘッド１４０を通る現在の空気流量（又は圧縮機速度、タービン速度）と現在のスタンドオフ距離に基づいてノズル面積を調整して、ショックダイヤモンド（例えば、第１のショックダイヤモンド）を現在のスタンドオフ距離で排気ガス流内に配置し、掘削面２００に熱衝撃及び圧力衝撃を発生させて、材料除去速度を増加させることができる。

可変面積ノズル１６０の閉ループ制御の別の例では、コントローラ１８０は、固い地質（例えば、火成岩及び変成岩）が掘削面２００に存在する場合、
より柔らかい地質の低い融解温度よりも低い排気ガス温度を維持して混合地質掘削面条件の下で又はトンネルに沿って硬い地質からより柔らかい地質への移行中に掘削面２００での融解を防ぎながら、ジェット衝突領域内のエネルギー密度を高めるとともに、これらのより硬い地質にもかかわらずジェット衝突領域内で高い維持することができる。同様に、この例では、コントローラ１８０は、軟質地質（例えば、堆積岩）が掘削面に存在する場合、ノズル面積を大きくすることによって、ジェット衝突領域のサイズを大きくして、掘削の幅及び高さ全体にわたってより均一な岩石除去を伴って、より広い掘削領域にわたって高い破砕率を維持することができる。

図６に示されるように、システム１００はまた、ノズル１６０の出口付近（例えば、ノズル１６０と掘削面２００との間）に配置された温度センサ１５６（例えば、熱電対）と、燃焼器１４４に噴射される燃料の割合を調整するように構成された燃料計量ユニット１４６も含む。一般に、動作中、コントローラ１８０は、温度センサ１５６によって出力された信号に基づいて、ノズル１６０を出る排気ガス２２０の温度を追跡するとともに、燃料調量ユニット１４６を介して燃焼器１４４に入る燃料の速度を調整して、ノズル１６０を出る排気ガス２２０の温度を、すべての地質の融解温度よりも低く、又は掘削面２００で予測又は検出された特定の地質の融解温度よりも低く維持することができる。

本明細書で説明するように、コントローラ１８０は、上述のように目標排気ガス温度を設定し、ノズル１６０を出る排気ガス２２０の温度を追跡するために温度センサ１５６をサンプリングし、次いで、これらの排気ガス２２０の温度が目標温度よりも低い場合には、燃料調量ユニット１４６を調整して火炎管に噴射される燃料の割合を増加させる閉ループ制御を実行し、排気ガス２２０の温度が目標温度よりも高い場合には、燃料調量ユニット１４６を調整して、燃焼器１４４に噴射される燃料の割合を減少させることができる。

図６に示すように、システム１００は、燃焼器１４４の一次ゾーンに入る圧縮空気の第１の部分と燃焼器１４４の希釈ゾーンに入る圧縮空気の第２の部分との希釈比を変化させるように構成された空気計量ユニット１４８を含む。

一実装形態では、空気計量ユニット１４８は、スリーブ１５０が燃焼器１４４内の穿孔の第１のセットを完全に露出させ、穿孔の第２のセットを完全に取り囲む１：０の希釈比位置と、スリーブ１５０が燃焼器１４４内の穿孔の第１のセットを大部分露出し、穿孔の第２のセットを大部分取り囲む２：１希釈比位置と、スリーブ１５０が燃焼器１４４の第１及び第２の穿孔セットを同様に露出する１：１希釈比位置と、スリーブ１５０が燃焼器１４４内の穿孔の第１のセットを大部分取り囲み、穿孔の第２のセットを大部分露出する１：２希釈比位置とを含む、燃焼器１４４に沿った位置範囲にわたって摺動するように構成されたスリーブ１５０を含む。

実施例のこの変形では、空気計量ユニット１４８はまた、この範囲の位置に沿ってスリーブ１５０を移動させるように構成されたアクチュエータ１５２を含むことができる。 したがって、動作中、コントローラ１８０は、以下に説明するように目標排気ガス温度を設定し、ノズル１４０を出る排気ガス２２０の温度を検出し、排気ガス２２０の温度が目標温度よりも低い場合には、空気計量ユニット１４８を調整して希釈比を増加させ、それに応じて燃料流量を増加させて目標空燃比を維持するとともに、排気ガス２２０の温度が目標温度よりも高い場合には、空気計量ユニット１４８を調整して希釈比を減少させ、それに応じて燃料流量を減少させて目標空燃比を維持するように、閉ループ制御を実施することができる。
空気計量ユニット１４８を調整して希釈比を増加させ、それに応じて燃料流量を増加させて目標空燃比を維持する 排気ガス２２０の温度が 目標温度; 排気ガス２２０の温度が目標温度よりも高い場合、空気計量ユニット１４８を調整して希釈比を減少させ、それに応じて燃料流量を減少させて目標空燃比を維持する。
閉ループ制御を実施して、以下を行うことができる。 排気ガス２２０の温度が目標温度よりも低い場合には、希釈率、及び目標空燃比を維持するためにそれに応じて燃料流量を増加させる。 排気ガス２２０の温度が目標温度よりも高い場合、空気計量ユニット１４８を調整して希釈比を減少させ、それに応じて燃料流量を減少させて目標空燃比を維持する。

一般に、コントローラ１８０は、公称掘削地質に基づいて、又はリアルタイムの掘削特性に基づいて、目標排気ガス温度を設定することができる。 次に、閉ループ制御を実施して、ノズル１４０を出る排気ガス２２０の測定温度と目標温度との差に基づいて、燃焼器１４４内の燃料流量及び／又は希釈率を調整する。
一般に、コントローラ１８０は、公称掘削地質に基づいて、又はリアルタイムの掘削特性に基づいて、目標排気ガス温度を設定し、次いで、閉ループ制御を実施して、ノズル１４０を出る排気ガス２２０の測定温度と目標温度との差に基づいて、燃焼器１４４内の燃料流量及び／又は希釈率を調整することができる。

さらに、図６に示されるように、システム１００はまた、掘削面２００に到達する排気ガスの温度及び圧力を急速に上昇させるために、タービン１５４を出る排気ガス２２０に燃料を噴射するように構成されたアフターバーナー１５８を含むことができる。コントローラ１８０は、排気ガス２２０の温度及び掘削面２００に衝突する排気ガス２２０の圧力を急速に上昇させるために、（点火及び燃料流量の制御を通じて）アフターバーナー１５８を選択的に作動させるように構成することができる。アフターバーナー１５８は、アフターバーナーの火炎を固定するために、その末端に近接した再循環ゾーンを画定することができる。アフターバーナー１５０は、スパークプラグ、グロープラグ、又はアフターバーナー炎を点火し、噴射された燃料の気化を開始するための他の電気的又は電磁的スターターをさらに含むことができる。実施例の別の変形では、掘削面２００上の排気ガス２２０の温度及び／又は圧力を調整するとき、コントローラ１８０は、まずアフターバーナー１５８への起動及び／又は燃料流量を調整し、次いで、必要に応じて上述の方法及び技術によって燃料流量又は希釈率を調整するように構成することができる。

実施例の一変形形態では、アフターバーナー１５８に、主燃料供給ラインから燃料、例えば液体ディーゼル燃料を供給することができる。 あるいは、アフターバーナー１５８に、別個の燃料ラインによって、別個の種類の燃料（例えば、ケロシンとガソリン、バイオディーゼルなどの混合物）を供給することができる。 さらに、コントローラ１８０は、ノズル１６０内の一定の圧力を維持するために、アフターバーナー１５８の作動と協調して、可変面積ノズル１６０のノズル面積を選択的に増加又は減少させることができる。

実施例の別の変形では、システム１００はさらに、圧縮機１４２と燃焼器１４４の間に配置された圧縮機タップ（図示しない）と、圧縮機タップに結合され、掘削面２００付近に配置され、ノズル１６０から出力された高温の排気ガスによって掘削面２００から除去された破片を、掘削面２００から離れてカッターヘッド１４０の後方に吹き飛ばすように構成された低温ジェットとを含む。

例えば、低温ジェットは、ノズル１４０の下に配置することができ、低温ジェットによって放出された圧縮空気が掘削面から落下して掘削面のこの底部隅に集まる破片を後方に移動させ、それによって、掘削面２００の底部ノズル１６０から放出された排気ガス２２０による破砕にさらすように、下向き及び／又は掘削面２００の底部隅に向けることができる。
したがって、システム１００は、圧縮機タップを介して圧縮機１４２の出力から圧縮空気の第３の部分を抽気してこの圧縮空気を低温ジェットに供給し、圧縮空気のこの第３の部分を掘削面２００の底部領域に向かって吹き付け、さもなければ掘削面２００の底部に沿って集まる可能性がある破片及びより大きな岩の破片を後方に引き寄せ、このようにして、掘削面２００の底部隅をノズル１６０にさらしてさらなる破砕を行うようにすることができる。

追加的又は代替的に、この変形例では、システム１００は、ノズル１４０付近のカッターヘッド１４０の外側ケーシングの周りに配置され、カッターヘッドの後方に（すなわち、掘削面の反対側）面し、且つ圧縮機タップに接続された、低温ジェットのセットを含むことができる。この実装では、低温ジェットのセットはカッターヘッド１４０の外側ケーシングに沿って低温の空気を導いてシャーシ１１０に沿って低温の境界層を形成して、動作中に掘削面２００から離れてカッターヘッド１４０の周りを流れる高温の排気ガス及び破片からシャーシ１１０を熱的に遮蔽することができる。

別の変形では、システム１００は
列をなして圧縮機１４２の前に配置され、空気供給ラインに結合され、タービン１５４によって駆動され（例えば、高バイパスファン構成で）、圧縮機１４２、燃焼器１４４、及びノズル１６０とは別の低温圧縮空気の第２の流れを出力するように構成される。この変形では、システム１００はまた、低温圧縮空気のこの第２の流れを掘削面２００から離れて後方に向けて、掘削面２００から離れて移動する破片を掘削面から引き離し、カッターヘッド１４０を通過させ、トンネルの外に出すように構成された逆流サブシステムも含むことができる。例えば、逆流サブシステムは、逆流サブシステムは、低温圧縮空気の第２の流れを後方に（すなわち、掘削面２００から離れ、空気供給源からカッターヘッド１４０に流れる空気の方向とは反対に）導くことができ、したがって、カッターヘッド１４０の後部と掘削面２００との間に低圧領域を生成することによって、排気ガス２２０の流速及びカッターヘッドの周り及びカッターヘッドを通過する破砕を増加させ、システム１００のシャーシ１１０を冷却する。

図２及び６に示されるように、カッターヘッド１４０は、シャーシ１１０に取り付けることができ、推進サブシステム１２０は、システム１００がトンネルを掘削するにつれて、シャーシ１１０及びカッターヘッド１４０を掘削面２００の新たに露出した表面に向かって前進させることができる。

例えば、シャーシ１１０及び推進サブシステム１２０は、カッターヘッド１４０に接続された発電機、ポンプ、又は圧縮空気タップなどを介して電力を供給される電気、油圧、又は空気圧モーターによって駆動される車輪付き又は無限軌道カートを形成することができる。シャーシ１１０はまた、少なくとも５自由度でカッターヘッド１４０を動かすように構成されたカッターヘッドラム１７０を含むことができる。カッターヘッドラム１７０は、シャーシ１１０上にカッターヘッド１４０を配置し、ノズル１６０と掘削面２００との間のスタンドオフ距離を維持するために、カッターヘッド１４０をシャーシ１１０に沿って長手方向に（例えば、Ｘ軸に沿って）前進及び後退させ、掘削面２００にわたってジェット衝突領域をスキャン（又は「ラスタ」）するために、シャーシ１１０上のカッターヘッド１４０を（例えば、ピッチ及びヨーで±１０°まで）ピッチング及びヨーイングし、及び／又は、カッターヘッド１４０をＺ軸に沿って垂直に持ち上げ又は押し上げるとともに、シャーシ１１０上のＹ軸に沿ってカッターヘッド１４０を横方向に移動させ又は引っ張って、掘削面２００にわたってジェット衝突領域をスキャンするように構成することができる。

この実施例では、コントローラ１８０は、１つ又は複数の閉ループ制御を実施して、カッターヘッドラム１７０を完全に後退させ、推進サブシステム１２０を前方に進めて、ノズル１６０を掘削面２００から（ほぼ）目標スタンドオフ距離に配置し、掘削面２００にわたってノズル１６０をラスターして、ジェット衝突領域及びシステム１００の断面よりも大きい掘削面領域上の岩石を破砕して除去し、ノズル１６０を選択的に一時停止（又は「滞留」）させて、掘削面２００の低掘削率領域にジェット衝突領域を配置し、このラスタサイクル中に計算された除去速度に従ってカッターヘッドラム１７０を前方に進めることができる。

コントローラ１８０は、カッターヘッドラム１７０がその前進移動の頂点に到達するまで、複数のラスタサイクルにわたって閉ループプロセスを繰り返すことができ、その時点で、コントローラ１８０は、カッターヘッドラム１７０を完全に後退させるとともに、推進サブシステム１２０を前方に前進させて、このプロセスを繰り返す前に、掘削面２００から（ほぼ）目標スタンドオフ距離にノズル１６０を配置することができる。 さらに、この例では、コントローラ１８０は、
燃焼器１４４及び／又はアフターバーナー１５８を通る一定の燃料流量を維持し、これによってノズルから出る排気ガス２２０の一定の温度及び圧力を維持するとともに、システム１００が掘削面２００にわたってノズル１６０をラスターする走査速度を調節して、目標掘削サイズ（例えば、幅及び高さ）及び掘削の長さを超える目標掘削プロファイル（例えば、Ｄ形状）を達成することができる。
７． 結論

本明細書に記載のシステム及び方法は、コンピュータ可読命令を格納するコンピュータ可読媒体を受け取るように構成された機械として、少なくとも部分的に具現化及び／又は実装することができる。 命令は、アプリケーション、アプレット、ホスト、サーバー、ネットワーク、ウェブサイト、通信サービス、通信インターフェイス、ユーザーのコンピュータ又はモバイルデバイス、リストバンド、スマートフォン、又はそれらの任意の適切な組み合わせのハードウェア／ファームウェア／ソフトウェア要素に統合されたコンピュータ実行可能コンポーネントによって実行可能である。実施形態の他のシステム及び方法は、コンピュータ可読命令を格納するコンピュータ可読媒体を受け取るように構成された機械として、少なくとも部分的に具現化及び／又は実装することができる。命令は、上述のタイプの装置及びネットワークと統合されたコンピュータ実行可能コンポーネントによって統合されたコンピュータ実行可能コンポーネントによって実行することができる。コンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ、光学デバイス（ＣＤ又はＤＶＤ）、ハードドライブ、フロッピードライブ、又は任意の適切なデバイスなどの任意の適切なコンピュータ可読媒体に格納することができる。 コンピュータ実行可能コンポーネントはプロセッサであり得るが、任意の適切な専用ハードウェアデバイスが（代替的に又は追加的に）命令を実行することができる。

当業者は、前述の詳細な説明から、及び図面及び特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の実施形態に対して修正及び変更を行えることを認識できるであろう。

Claims (63)

1. 最初に、掘削面に面したプラズマトーチを、掘削面から目標スタンドオフ距離まで駆動し、
   プラズマトーチを作動させて掘削面から材料を除去し、
   掘削面の第１プロファイルを検出し、
   目標勾配範囲未満の第１勾配を示す第１プロファイルに応答して、目標スタンドオフ距離を第２目標スタンドオフ距離に減少させるか、又は、目標勾配範囲より大きい第１勾配を示す第１プロファイルに応答して、目標スタンドオフ距離を第２目標スタンドオフ距離に増加させることによって、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に調整し、
   次に、第２の目標スタンドオフ距離に従ってプラズマトーチを掘削面に向けて再配置する、
   プラズマを用いて掘削する方法。
2. コントローラによって、リニアアクチュエータに接触プローブを掘削面に近接した伸長位置に伸長させ、
   コントローラによって、リニアアクチュエータに接触プローブを掘削面の遠位にある熱シールドハウジング内の後退位置に後退させ、
   コントローラによって、伸長位置と後退位置での接触プローブの長さの差を計算することにより、掘削面までの現在のスタンドオフ距離を決定する、
   掘削面の第１プロファイルを検出する、請求項１に記載の方法。
3. コントローラによって、接触プローブが後退位置にない間に、掘削面の表面温度を下げるために、プラズマトーチへの電力出力とガス流量を減らし、
   コントローラによって、接触プローブが後退位置にある間に、プラズマトーチへの電力出力とガス流量を増加させて、掘削面での掘削を再開する、
   請求項２に記載の方法。
4. コントローラによって、現在のスタンドオフ距離を保存し、
   コントローラによって、プラズマトーチラムの現在の長手方向位置に基づいてプラズマトーチラムのリセット距離を計算し、
   コントローラによって、プラズマトーチラムをプラズマトーチラムリセット距離にリセットし、
   コントローラによって、推進システムを作動させて、プラズマトーチラムのリセット距離と、現在のスタンドオフ距離と現在の目標スタンドオフ距離との差の合計だけ掘削リグを移動させる、
   請求項２に記載の方法。
5. コントローラによって、接触プローブが掘削面に接触していないことを検出し、
   コントローラによって、トーチラムをホーム位置に後退させ、
   コントローラによって、推進システムを作動させて、接触プローブが抵抗に合うまで掘削リグを動かし、
   コントローラによって、接触プローブが掘削面に接触していることを決定し、
   コントローラによって、プラズマトーチを目標スタンドオフ距離に設定し、
   コントローラによって、接触プローブを後退させるように線形アクチュエータに指示して、
   掘削面の第１のプロファイルを検出する、請求項１に記載の方法。
6. 接触プローブの基準電圧を電気的遮蔽電圧に駆動し、それによってプラズマトーチによって生成されたプラズマプルームを反発させる電界を接触プローブの周りに生成し、
   コントローラによって、接触プローブを前方に駆動して掘削面との継続的な接触を維持するようにリニアアクチュエータに指示し、
   コントローラによって、プラズマトーチラムを前方に駆動して、プラズマトーチと掘削面の間の目標スタンドオフ距離を維持して、
   掘削面の第１プロファイルを検出する、請求項１に記載の方法。
7. コントローラによって、シャッターを開いて非接触深度センサを露出し、
   コントローラによって、深度センサで受信した深度信号をサンプリングし、
   コントローラによって、深度信号に基づいて掘削面までの深さ測定値を決定し、
   コントローラによって、シャッターを閉じて深度センサを掘削面での過剰な熱から遮蔽して、
   掘削面の第１プロファイルを検出する、請求項１に記載の方法。
8. コントローラによって、深度信号に基づいて３次元掘削面プロファイルを補間し、
   コントローラによって、プラズマトーチを３次元掘削面プロファイルで表される領域に向け、
   コントローラによって、掘削面の領域と掘削中心との間の勾配に比例して掘削面の領域までの目標スタンドオフ距離を調整し、
   コントローラによって、プラズマトーチへの電力出力とガス流を調整して、掘削面の領域での材料の溶融を防ぐ、
   請求項７に記載の方法。
9. さらにコントローラによって第１の時間と第２の時間の間に、
   推定されたスタンドオフ距離を推定し、
   トーチラムの位置を調整して、推定されたスタンドオフ距離における現在のスタンドオフ距離を維持し、
   推定されたスタンドオフ距離に基づいて、プラズマトーチの電力出力とガス流量を調整する、
   請求項１に記載の方法。
10. さらに、
    コントローラによって、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離と、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の間の累積トーチラム前進と、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の間の累積シャーシ前進における時間間隔にわたる変化の合計に基づいて、第１の掘削面プロファイルと第２の掘削面プロファイルの間のオフセット距離を計算し、
    コントローラによって、オフセット距離に基づいて、第１の掘削面プロファイルと第２の掘削面プロファイルとの間で除去される材料の体積を計算し、
    コントローラによって、体積をこの時間間隔の持続時間で除算することにより、時間間隔中の除去速度を計算する、
    請求項１に記載の方法。
11. さらに、
    コントローラによって、除去速度を目標除去速度と比較し、
    コントローラによって、除去速度と目標除去速度の偏差に基づいて、目標スタンドオフ距離を調整された目標スタンドオフ距離に調整し、
    コントローラによって、調整された目標スタンドオフ距離が除去速度を向上することを検証する、
    請求項１０に記載の方法。
12. さらに、
    コントローラによって、除去速度を目標除去速度と比較し、
    コントローラによって、除去速度と目標除去速度の偏差に基づいて、プラズマトーチの電力出力とガス流量を調整された電力出力と調整されたガス流量に調整し、
    コントローラによって、調整された電力出力と調整されたガス流量が除去速度を向上することを検証する、
    請求項１０に記載の方法。
13. シャーシと、
    掘削面に向かって第１の方向にシャーシを前進させるとともに掘削面から離れる第２の方向にシャーシを後退させるようにシャーシに配置された推進システムと、
    電源及びガス供給源に接続されたプラズマトーチと、
    プラズマトーチをシャーシに接続し、プラズマトーチをシャーシ上に配置し、第１の方向及び第２の方向に実質的に平行な縦軸に沿うシャーシに沿ってプラズマトーチを前進及び後退させ、縦軸に対するピッチ角と縦軸に対するヨー角に沿ってプラズマトーチを傾け、縦軸に実質的に垂直な垂直軸に沿ってプラズマトーチを垂直に持ち上げ、縦軸及び垂直軸に実質的に垂直な水平軸に沿ってプラズマトーチを横方向に移動させるように構成されたプラズマトーチラムと、
    シャーシと掘削面の間のスタンドオフ距離を測定するように構成された深度センサと、
    シャーシと掘削面との間の第１の位置から第２の位置に廃棄物を引き込むように構成されたスポイル排出器と、
    推進システム、プラズマトーチ、プラズマトーチラム、及び深度センサに接続され、深度センサがシャーシと掘削面の間のスタンドオフ距離を測定したことに応答して推進システム、プラズマトーチ、プラズマトーチラム、及び深度センサを駆動するように構成されたコントローラと、
    を具備するプラズマを用いて掘削するシステム。
14. 深度センサは、
    接触プローブと、
    接触プローブ、シャーシ、及びコントローラに接続され、シャーシから掘削面に向かって選択的に伸長するとともに、シャーシに向かって掘削面から離れて選択的に後退するように構成されたリニアアクチュエータと、
    を備え、
    コントローラは、
    リニアアクチュエータに接触プローブを掘削面の近位の伸長位置に伸長させ、
    リニアアクチュエータに接触プローブを掘削面の遠位の熱遮蔽ハウジング内の後退位置に後退させ、
    伸長位置と収縮位置での接触プローブの長さの差を計算することにより、掘削面までの現在のスタンドオフ距離を決定し、
    接触プローブの位置に応じて、プラズマトーチへの電力出力とガス流を調整する、
    ように構成される、
    請求項１３に記載のシステム。
15. 深度センサは、
    シャーシとコントローラとを接続し、シャーシから掘削面に向かって選択的に伸長するとともに、シャーシに向かって掘削面から離れて選択的に後退するように構成された、ばね仕掛けの接触プローブを備え、
    コントローラは、
    接触プローブが掘削面と接触していないことを判定し、
    トーチラムをホーム位置まで後退させ、
    推進システムを作動させて、接触プローブが抵抗に合うまでシャーシを第１の方向に沿って移動させ、
    接触プローブが掘削面と接触していることを判定し、
    プラズマトーチを目標スタンドオフ距離に配置し、
    接触プローブを掘削面から遠ざけてシャーシに向かって後退させる、
    ように構成される、
    請求項１３に記載のシステム。
16. 深度センサは、シャーシとコントローラに接続され、選択的に開閉可能なシャッターに隣接して配置された非接触深度センサで構成され、コントローラは、
    非接触深度センサを露出させるようにシャッターを開き、
    深度センサで受信される深度信号をサンプリングし、
    深度信号に基づいて掘削面までの深度測定を決定し、
    シャッターを閉じて非接触深度センサを遮蔽する、
    ように構成される、請求項１３に記載のシステム。
17. コントローラは、
    深度信号に基づいて３次元掘削面プロファイルを補間し、
    プラズマトーチを３次元掘削面プロファイルで表される領域に向け、
    掘削面の領域と掘削の中心との間の勾配に比例して、掘削面の領域までの目標スタンドオフ距離を調整し、
    プラズマトーチへの電力出力とガス流を調整して、掘削面の領域での材料の溶融を防ぐ、
    ように構成される、請求項１６に記載のシステム。
18. コントローラは、
    第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離と、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の間の累積トーチラム前進と、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の間の累積シャーシ前進における時間間隔にわたる変化の合計に基づいて、第１の掘削面プロファイルと第２の掘削面プロファイルの間のオフセット距離を計算し、
    オフセット距離に基づいて、第１の掘削面プロファイルと第２の掘削面プロファイルとの間で除去される材料の体積を計算し、
    コントローラによって、体積をこの時間間隔の持続時間で除算することにより、時間間隔中の除去速度を計算する、
    ように構成される、請求項１３に記載のシステム。
19. コントローラは、
    除去速度を目標除去速度と比較し、
    除去速度と目標除去速度の偏差に基づいて、目標スタンドオフ距離を調整された目標スタンドオフ距離に調整し、
    調整された目標スタンドオフ距離が除去速度を向上することを検証する、
    ように構成される、請求項１８に記載のシステム。
20. コントローラは、
    除去速度を目標除去速度と比較し、
    除去速度と目標除去速度の偏差に基づいて、プラズマトーチの電力出力とガス流量を調整された電力出力と調整されたガス流量に調整し、
    調整された電力出力と調整されたガス流量が除去速度を向上することを検証する、
    ように構成される、請求項１９に記載のシステム。
21. シャーシと、
    地上の新鮮な空気供給源から入ってくる空気を圧縮するように構成された圧縮機と、圧縮機から出る圧縮空気を地上の燃料供給源から入ってくる燃料と混合して燃料に点火するように構成された燃焼器と、燃焼器を出る燃焼燃料及び圧縮空気からエネルギーを抽出して圧縮機を回転させる構成されたタービンと、タービンを出る排気ガスを方向付けて掘削面にジェット衝突領域を誘発するように構成されたノズルと、を備えたカッターヘッドと、
    カッターヘッドに接続されて、掘削面に対してカッターヘッドを位置決めするように構成されたカッターヘッドラムと、
    温度センサと、
    カッターヘッド、温度センサ、及びカッターヘッドラムに接続され、
    温度センサによる信号出力に基づいてノズルから排出される排気ガスの温度を追跡し、燃焼器に入る燃料の速度を調整して、ノズルから出る排気ガスの温度を掘削内に存在する地質の溶融温度より低く破砕温度より高く維持するように構成されたコントローラと、
    コントローラに接続され、掘削面に向かって第１の方向にシャーシを前進させるとともに掘削面から離れる第２の方向にシャーシを後退させるようにシャーシに配置された推進システムと、
    を具備するジェット衝突によって地質を掘削するシステム。
22. 掘削面でのラスタサイクルの間、コントローラが、
    ノズルが掘削面から目標スタンドオフ距離に配置されるように、シャーシを配置するように推進システムを指示し、
    ジェット衝突領域よりも大きい掘削面領域上の岩石を破砕して除去するために、掘削面にわたってノズルをラスタするようにカッターヘッドラムを指示し、
    ノズルを一時停止させて、掘削面の掘削速度が低い領域にジェット衝突領域を配置するように、選択的にカッターヘッドラムを指示し、
    ラスタサイクル中にカッターヘッドラムを第１の方向に第１の除去深さだけ前進させる、
    ように構成された、請求項２１に記載のシステム。
23. カッターヘッドは、固定領域ノズルと掘削面との間の目標スタンドオフ距離で掘削面上に目標サイズのジェット衝突領域を形成するために排気ガスを掘削面に向ける固定領域ノズルを備える、請求項２２に記載のシステム。
24. カッターヘッドは、可変面積ノズルと掘削面との間の目標スタンドオフ距離で掘削面上に目標サイズのジェット衝突領域を形成するために排気ガスを掘削面に向ける可変面積ノズルを備え、
    コントローラは、可変面積ノズルの面積を調整して、掘削面でのジェット衝突領域を調整するように構成される、
    請求項２２に記載のシステム。
25. コントローラとカッターヘッドに接続され、燃焼器に噴射される燃料の割合を調整するように構成された燃料計量ユニットをさらに備え、
    コントローラは、温度センサによる信号出力に基づいてノズルから排出される排気ガスの温度を追跡し、燃焼器に入る燃料の速度を調整して、ノズルを出る排気ガスの温度を目標排気ガス温度付近に維持するように、燃料調量ユニットを選択的に指示するように構成される、
    請求項２１に記載のシステム。
26. 燃焼器に沿った位置の範囲にわたってスライドするように構成されたスリーブと、コントローラに接続されて、燃焼器に沿った位置範囲の間でスリーブを移動させるように構成されたアクチュエータを備えた空気計量ユニットをさらに備え、
    コントローラは、燃焼器に入る空気の質量を調整して、ノズルに存在する排気ガスの温度を目標排気ガス温度付近に維持するように、空気計量ユニットを選択的に指示するように構成される、
    請求項２５に記載のシステム。
27. コントローラに接続され、ノズルと掘削面の間のスタンドオフ距離を測定するように構成された深度センサをさらに備え、
    コントローラは、
    第１の時間に深度センサから第１のスタンドオフ距離を受信し、
    第２の時間に深度センサから第２のスタンドオフ距離を受信し、
    第１の時間と第２の時間の間の間隔にわたる第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の差に基づいて、掘削面での現在の掘削速度を計算する、
    ように構成される、
    請求項２１に記載のシステム。
28. コントローラに接続され、掘削面に向けられて掘削面の画像を出力するように構成された光学センサをさらに備え、
    コントローラは、
    目標排出ガス温度を設定し、
    光学センサによって捕捉された掘削面の画像を受信し、
    掘削面の画像をスキャンして溶融材料を示す一連の画素を探し、
    溶融材料を示す一連の画素を検出したことに応答して目標排気ガス温度を減少させる、
    ように構成される、
    請求項２１に記載のシステム。
29. コントローラはさらに、
    光学センサによって捕捉された掘削面の画像のセットを受信し、
    掘削面の画像のセットをスキャンして、噴出された材料が掘削面から離れて移動することを示す画素のセットを探し、
    噴出された材料に関連する画素のセットの光学特性に基づいて、噴出された材料を特徴付け、
    噴出された材料を溶融材料として特徴付けることに応じて、目標排気ガス温度を減少させる、
    ように構成される、請求項２８に記載のシステム。
30. コントローラに接続され、タービンを出る排気ガスに燃料を噴射してノズルを出る排気ガスの温度を増加させるように構成されたアフターバーナーをさらに備える、請求項２１に記載のシステム。
31. カッターヘッドは、排気ガスを掘削面に向けて、可変面積ノズルと掘削面との間の目標スタンドオフ距離で掘削面上に目標サイズのジェット衝突領域を形成する可変面積ノズルを備え、
    コントローラは、
    アフターバーナーを選択的に作動させて、ノズルから排出される排気ガスの温度を上昇させ、
    可変面積ノズルの面積を調整して掘削面でのジェット衝突面積を調整し、目標スタンドオフ距離に応じて第１のショックダイヤモンドが掘削面に近接して配置されるようにする、
    ように構成される、請求項３０に記載のシステム。
32. シャーシと、
    以下を備えたカッターヘッドと、
    〇地上の新鮮な空気供給から入ってくる空気を圧縮するように構成された圧縮機
    〇以下を備えた燃焼器
    ・カッターヘッドによって摂取される燃料の量を調整するように構成された燃料計量ユニット
    ・以下を備えた空気計量ユニット
    ・燃焼器に沿ってある範囲の位置にわたってスライドするように構成されたスリーブ
    ・燃焼器に沿った位置範囲の間でスリーブを移動させて、圧縮機から出る圧縮空気をカッターヘッドによって摂取された量の燃料と混合するように構成されたアクチュエータ
    〇燃焼器を出る燃焼燃料及び圧縮空気からエネルギーを抽出して圧縮機を回転させるように構成されたタービン
    〇排気ガスを掘削面に向けて、可変面積ノズルと掘削面との間の目標スタンドオフ距離で掘削面上に目標サイズのジェット衝突領域を形成する可変面積ノズル
    カッターヘッドに接続されて、掘削面に対してカッターヘッドを位置決めするように構成されたカッターヘッドラムと、
    温度センサと、
    温度センサと、燃料計量ユニットと、空気計量ユニットと、可変面積ノズルに接続され、温度センサによる信号出力に基づいてノズルから排出される排気ガスの温度を追跡し、燃料調量ユニットを選択的に指示して燃焼器に入る燃料の速度を調整し、ノズルから出る排気ガスの温度を目標排気ガス温度付近に維持し、空気計量ユニットを選択的に指示して燃焼器に入る空気の質量を調整し、ノズルに存在する排気ガスの温度を目標排気ガス温度付近に維持し、可変面積ノズルの面積を調整して掘削面でのジェット衝突面積を調整するように構成されたコントローラと、
    コントローラに接続され、掘削面に向かって第１の方向にシャーシを前進させるとともに掘削面から離れる第２の方向にシャーシを後退させるようにシャーシとともに配置された推進システムと、
    を具備するジェット衝突によって地質を掘削するシステム。
33. コントローラに接続され、タービンを出る排気ガスに燃料を噴射して、ノズルを出る排気ガスの温度を上げるように構成されたアフターバーナーをさらに具備する請求項３２に記載のシステム。
34. コントローラが、
    アフターバーナーを選択的に点火して、ノズルから排出される排気ガスの温度を上げ、
    可変面積ノズルの面積を調整して、目標スタンドオフ距離に応じて第１のショックダイヤモンドが掘削面付近に配置されるように、掘削面でのジェット衝突領域を調整する、
    ように構成される、請求項３３に記載のシステム。
35. コントローラに接続され、ノズルと掘削面の間のスタンドオフ距離を検出するように構成された深度センサをさらに備え、
    コントローラは、
    第１の時間に深度センサから第１のスタンドオフ距離を受信し、
    第２の時間に深度センサから第２のスタンドオフ距離を受信し、
    第１の時間と第２の時間の間の間隔にわたる第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の差に基づいて、掘削面での現在の掘削速度を計算する、
    ように構成される、
    請求項３２に記載のシステム。
36. コントローラに接続され、掘削面に向けられて掘削面の画像を出力するように構成された光学センサをさらに備え、
    コントローラは、
    目標排出ガス温度を設定し、
    光学センサによって捕捉された掘削面の画像を受信し、
    掘削面の画像をスキャンして溶融材料を示す一連の画素を探し、
    溶融材料を示す一連の画素を検出したことに応答して目標排気ガス温度を減少させる、
    ように構成される、
    請求項３５に記載のシステム。
37. コントローラはさらに、
    光学センサによって捕捉された掘削面の画像のセットを受信し、
    掘削面の画像のセットをスキャンして、噴出された材料が掘削面から離れて移動することを示す画素のセットを探し、
    噴出された材料に関連する画素のセットの光学特性に基づいて、噴出された材料を特徴付け、
    噴出された材料を溶融材料として特徴付けることに応じて、目標排気ガス温度を減少させる、
    ように構成される、請求項３６に記載のシステム。
38. 第１の時間に、掘削面から目標スタンドオフ距離まで掘削面に面して、カッターヘッドを駆動し、
    カッターヘッドを作動させて、目標排気ガス温度の排気ガスをノズルから掘削面に向けて、掘削面から材料を除去し、
    掘削面に向けられた排気ガスの第１の温度を検出し、
    燃焼器に入る燃料の速度を調整して、ノズルを出る排気ガスの温度を目標排気ガス温度付近に維持するように燃料調量ユニットを指示するとともに、燃焼器に入る空気の質量を調節して、ノズルに存在する排気ガスの温度を目標排気ガス温度付近に維持するように空気計量ユニットを指示することによって、掘削面に向けられた排気ガスの第１の温度を調整する、
    ジェット衝突によって地質をボーリングする方法。
39. さらに、
    コントローラによって、第１の時間に深度センサから第１のスタンドオフ距離を受信し、
    コントローラによって、第２の時間に深度センサから第２のスタンドオフ距離を受信し、
    コントローラによって、第１の時間と第２の時間の間の間隔にわたる第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の差に基づいて、掘削面での現在の掘削速度を計算する、
    請求項３８に記載の方法。
40. さらに、
    コントローラによって、光学センサによって捕捉された掘削面の画像を受信し、
    コントローラによって、掘削面の画像をスキャンして溶融材料を示す一連の画素を探し、
    コントローラによって、溶融材料を示す一連の画素を検出したことに応答して目標排気ガス温度を減少させる、
    請求項３８に記載の方法。
41. 第１の時間に、掘削面に面する非接触掘削要素を、掘削面から目標スタンドオフ距離まで駆動し、
    非接触掘削要素を作動させて掘削面から材料を除去し、
    掘削面の第１のプロファイルを検出し、
    第１の勾配が目標勾配範囲未満を示す第１のプロファイルに応答して、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に減少させ、第１の勾配が目標勾配範囲より大きいことを示す第１のプロファイルに応答して、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に増加させることによって、目標スタンドオフ距離を第２の目標スタンドオフ距離に調整し、
    第２の時間に、第２の目標スタンドオフ距離に従って、非接触掘削要素を掘削面に向けて再配置する、
    掘削する方法。
42. コントローラによって、リニアアクチュエータが接触プローブを掘削面付近の伸長位置に伸長させ、
    コントローラによって、リニアアクチュエータが接触プローブを掘削面より遠位の熱的に遮蔽されたハウジング内の後退位置に後退させ、
    コントローラによって、伸長位置と後退位置での接触プローブの長さの差を計算することにより、掘削面までの現在のスタンドオフ距離を決定する、
    ことによって掘削面の第１のプロファイルを検出する、
    請求項４１に記載の方法。
43. コントローラによって、接触プローブが後退位置にない場合に、非接触掘削要素の掘削パラメータを調整して、掘削面の表面温度を低下させ、
    コントローラによって、接触プローブが後退位置にある場合に、非接触掘削要素の掘削パラメータを調整して、掘削面でのボーリングを再開する、
    請求項４２に記載の方法。
44. コントローラによって、接触プローブが掘削面に接触していないことを判定し、
    コントローラによって、非接触掘削要素をホーム位置に位置決めし、
    コントローラによって、推進システムを作動させて、接触プローブが抵抗に合うまで掘削リグを動かし、
    コントローラによって、接触プローブが掘削面に接触していることを判定し、
    コントローラによって、非接触掘削要素を目標スタンドオフ位置に設定し、
    コントローラによって、接触プローブを後退させるようにリニアアクチュエータに指示する、
    請求項４１に記載の方法。
45. 非接触掘削要素はプラズマトーチを備え、
    接触プローブの基準電圧を電気的遮蔽電圧に駆動し、それによってプラズマトーチによって生成されたプラズマプルームを反発させる電界を接触プローブの周りに生成し、
    コントローラによって、接触プローブを前方に駆動して、掘削面との継続的な接触を維持するようにリニアアクチュエータに指示し、
    コントローラによって、プラズマトーチラムを前方に駆動して、プラズマトーチと掘削面の間の目標スタンドオフ距離を維持することによって、
    掘削面の第１のプロファイルを検出する、請求項４１に記載の方法。
46. コントローラによって、シャッターを開いて非接触深度センサを露出し、
    コントローラによって、深度センサで受信した深度信号をサンプリングし、
    コントローラによって、深度信号に基づいて掘削面までの深さ測定値を決定し、
    コントローラによって、シャッターを閉じて深度センサを掘削面での過剰な熱から遮蔽して、
    掘削面の第１のプロファイルを検出する、請求項４１に記載の方法。
47. コントローラによって、深度信号に基づいて３次元掘削面プロファイルを補間し、
    コントローラによって、プラズマトーチを３次元掘削面プロファイルで表される領域に向け、
    コントローラによって、掘削面の領域と掘削中心との間の勾配に比例して掘削面の領域までの目標スタンドオフ距離を調整し、
    コントローラによって、非接触掘削要素の掘削パラメータを調整して、掘削面の領域での材料の溶融を防ぐ、
    請求項４６に記載の方法。
48. 第１の時間と第２の時間の間に、コントローラによって、
    推定スタンドオフ距離を推定し、
    非接触掘削要素の位置を調整して、現在のスタンドオフ距離を推定スタンドオフ距離に維持し、
    推定スタンドオフ距離に基づいて、非接触掘削要素の掘削パラメータを調整するも
    請求項４１に記載の方法。
49. コントローラによって、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離と、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の間の累積トーチラム前進と、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の間の累積シャーシ前進における時間間隔にわたる変化の合計に基づいて、第１の掘削面プロファイルと第２の掘削面プロファイルの間のオフセット距離を計算し、
    コントローラによって、オフセット距離に基づいて、第１の掘削面プロファイルと第２の掘削面プロファイルとの間で除去される材料の体積を計算し、
    コントローラによって、体積をこの時間間隔の持続時間で除算することにより、時間間隔中の除去速度を計算する、
    請求項４１に記載の方法。
50. さらに、
    コントローラによって、除去速度を目標除去速度と比較し、
    コントローラによって、除去速度と目標除去速度の偏差に基づいて、目標スタンドオフ距離を調整された目標スタンドオフ距離に調整し、
    コントローラによって、調整された目標スタンドオフ距離が除去速度を向上することを検証する、
    請求項４９に記載の方法。
51. さらに、
    コントローラによって、除去速度を目標除去速度と比較し、
    コントローラによって、除去速度と目標除去速度の偏差に基づいて、非接触掘削要素の掘削パラメータを調整された掘削パラメータに調整し、
    コントローラによって、調整された電力出力と調整されたガス流量が除去速度を向上することを検証する、
    請求項５０に記載の方法。
52. 非接触掘削要素はプラズマトーチを備え、
    掘削パラメータはプラズマトーチの電力出力とガス流量を含み、
    調整された掘削パラメータは調整された電力出力と調整されたガス流量を含む、
    請求項５１に記載の方法。
53. 非接触掘削要素は、地上の新鮮な空気供給源から入ってくる空気を圧縮するように構成された圧縮機と、圧縮機から出る圧縮空気を地上の燃料供給源から入ってくる燃料と混合して燃料に点火するように構成された燃焼器と、燃焼器を出る燃焼燃料及び圧縮空気からエネルギーを抽出して圧縮機を回転させる構成されたタービンと、タービンを出る排気ガスを方向付けて掘削面にジェット衝突領域を誘発するように構成されたノズルを備えたカッターヘッドを備え、
    掘削パラメータは、燃焼器に入る燃料の速度と、燃焼器に入る空気の質量を含み、
    調整された掘削パラメータは、調整された燃焼器に入る燃料の速度と、調製された燃焼器に入る空気の質量を含む、
    請求項５１に記載の方法。
54. 非接触掘削要素は、コントローラに接続され、タービンを出る排気ガスに燃料を噴射してノズルを出る排気ガスの温度を増加させるように構成されたアフターバーナーをさらに備え、
    掘削パラメータは、アフターバーナーの状態をさらに含み、
    調整された掘削パラメータは、アフターバーナーの第２の状態を含む、
    請求項５３に記載の方法。
55. 非接触掘削要素はカッターヘッドを備え、さらに、
    コントローラによって、カッターヘッドによって掘削面に向けられた排気図巣の目標排気ガス温度を設定し、
    コントローラによって、光学センサによって捕捉された掘削面の画像を受信し、
    コントローラによって、掘削面の画像をスキャンして溶融材料を示す一連の画素を探し、
    コントローラによって、溶融材料を示す一連の画素を検出したことに応答して目標排気ガス温度を減少させる、
    請求項４１に記載の方法。
56. さらに、
    コントローラによって、光学センサによって捕捉された掘削面の画像のセットを受信し、
    コントローラによって、掘削面の画像のセットをスキャンして、噴出された材料が掘削面から離れて移動することを示す画素のセットを探し、
    コントローラによって、噴出された材料に関連する画素のセットの光学特性に基づいて、噴出された材料を特徴付け、
    コントローラによって、噴出された材料を溶融材料として特徴付けることに応じて、目標排気ガス温度を減少させる、
    請求項５５に記載の方法。
57. シャーシと、
    掘削面に向かって第１の方向にシャーシを前進させるとともに掘削面から離れる第２の方向にシャーシを後退させるようにシャーシに配置された推進システムと、
    シャーシに接続され、掘削パラメータのセットに応答して動作する非接触掘削要素と、
    シャーシと掘削面の間のスタンドオフ距離を測定するように構成された深度センサと、
    推進システム、非接触掘削要素、及び深度センサに接続され、深度センサがシャーシと掘削面の間のスタンドオフ距離を測定したことに応答して推進システム、非接触掘削要素、及び深度センサを駆動するように構成されたコントローラと、
    を具備する掘削するシステム。
58. 深度センサは、
    接触プローブと、
    接触プローブ、シャーシ、及びコントローラに接続され、シャーシから掘削面に向かって選択的に伸長するとともに、シャーシに向かって掘削面から離れて選択的に後退するように構成されたリニアアクチュエータと、
    を備え、
    コントローラは、
    リニアアクチュエータに接触プローブを掘削面の近位の伸長位置に伸長させ、
    リニアアクチュエータに接触プローブを掘削面の遠位の熱遮蔽ハウジング内の後退位置に後退させ、
    伸長位置と収縮位置での接触プローブの長さの差を計算することにより、掘削面までの現在のスタンドオフ距離を決定し、
    接触プローブの位置に応じて、非接触掘削要素を動作させるための掘削パラメータのセットを調整する、
    ように構成される、
    請求項５７に記載のシステム。
59. 深度センサは、シャーシとコントローラに接続され、選択的に開閉可能なシャッターに隣接して配置された非接触深度センサで構成され、コントローラは、
    非接触深度センサを露出させるようにシャッターを開き、
    深度センサで受信される深度信号をサンプリングし、
    深度信号に基づいて掘削面までの深度測定を決定し、
    シャッターを閉じて非接触深度センサを遮蔽する、
    請求項５７に記載のシステム。
60. コントローラは、
    深度信号に基づいて３次元掘削面プロファイルを補間し、
    非接触掘削要素を３次元掘削面プロファイルで表される領域に向け、
    掘削面の領域と掘削の中心との間の勾配に比例して、掘削面の領域までの目標スタンドオフ距離を調整し、
    非接触掘削要素の掘削パラメータのセットを調整して、掘削面の領域での材料の溶融を防ぐ、
    ように構成される、請求項５９に記載のシステム。
61. コントローラは、
    第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離と、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の間の累積非接触掘削要素前進と、第１のスタンドオフ距離と第２のスタンドオフ距離の間の累積シャーシ前進における時間間隔にわたる変化の合計に基づいて、第１の掘削面プロファイルと第２の掘削面プロファイルの間のオフセット距離を計算し、
    オフセット距離に基づいて、第１の掘削面プロファイルと第２の掘削面プロファイルとの間で除去される材料の体積を計算し、
    コントローラによって、体積をこの時間間隔の持続時間で除算することにより、時間間隔中の除去速度を計算する、
    ように構成される、請求項５７に記載のシステム。
62. コントローラは、
    除去速度を目標除去速度と比較し、
    除去速度と目標除去速度の偏差に基づいて、目標スタンドオフ距離を調整された目標スタンドオフ距離に調整し、
    調整された目標スタンドオフ距離が除去速度を向上することを検証する、
    ように構成される、請求項６１に記載のシステム。
63. コントローラは、
    除去速度を目標除去速度と比較し、
    除去速度と目標除去速度の偏差に基づいて、掘削パラメータのセットを調整された掘削パラメータのセットに調整し、
    調整された掘削パラメータのセットが除去速度を向上することを検証する、
    ように構成される、請求項６２に記載のシステム。

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