冲压加速器系统的制作方法
【专利说明】冲压加速器系统
[0001]优先权
[0002]本申请要求2013年3月15日提交的标题为“冲压加速器系统(Ram AcceleratorSystem)”的美国申请13/841,236的优先权，所述申请以引用的方式整体并入本文。
【背景技术】
[0003]传统的钻孔和挖掘方法利用钻头在被穿透的一个或多个层的材料中形成孔。挖掘、采石和隧道掘进也可以使用放置在孔中并引爆以分裂至少一部分材料的炸药。炸药的使用导致额外的安全性和监管负担，从而增加操作成本。通常，这些方法从钻孔、爆破、材料去除、地层支撑循环运转，并且是用于去除材料以形成所需的挖掘的相对缓慢(取决于被移动的横截面积，通常将耗费每线性英尺几分钟到几小时到几天)的方法。
【附图说明】
[0004]现在将在下面参照各个方面被示出的附图更充分地描述某些实施方式和实施方案。然而，各个方面可以用许多不同的形式来实施并且不应被解释为限于本文陈述的实施方式。附图不一定按比例绘制，并且所指示的对象的相对比例可能已被修改以便于说明，而不是为了限制。通篇中相同的数字指代相同的元件。
[0005]图1是使用冲压加速器钻孔或挖掘的说明性系统，冲压加速器包括保持一种或多种可燃气体的多个段，并且被配置成朝向材料的工作面推进弹丸。
[0006]图2图示使用冲压加速器钻孔形成的弯曲钻孔路径。
[0007]图3图示段分离器机构，其被配置成重置在发射弹丸期间穿透的隔膜，使得在冲压加速器的段之间保持密封。
[0008]图4图示被配置成使用冲压燃烧效应加速的弹丸。
[0009]图5图不被配置具有研磨内芯的弹丸，研磨内芯被配置成在冲击时并在冲击之后提供材料的磨损。
[0010]图6图示弹丸与地质材料的流体-流体冲击相互作用。
[0011]图7图示弹丸与地质材料的非流体-流体冲击相互作用。
[0012]图8图示与可以置于孔底的导管以及钻孔器和其他装置相关联的额外的细节。
[0013]图9图示具有耦合到一个或多个喷出物通道的喷出物收集器的置于孔底的导管，喷出物通道被配置成从地上的冲击传递喷出物进行处置。
[0014]图10图示具有钻孔器的置于孔底的导管，钻孔器被配置成由在地上循环以去除喷出物的至少一部分的流体冷却。
[0015]图11图示在孔内部署连续混凝土衬砌的置于孔底的导管。
[0016]图12图示使用冲压加速器以使用多个弹丸钻多个孔的隧道掘进或挖掘。
[0017]图13图示用于去除由冲压加速器弹丸钻的孔所限定的岩段的装置。
[0018]图14是使用冲压加速器钻孔的过程的流程图。
[0019]图15是多个弹丸的多个发射的过程的流程图，其中在至少一些发射之间调整发射模式。
【具体实施方式】
[0020]用于穿透材料的常规的钻孔和挖掘技术通常依赖于用于在工作面切割或研磨的机械齿。这些材料可以包括金属、陶瓷、地质材料等。对机械齿的刀具磨损与破损减缓这些操作，从而增加成本。此外，切穿材料(诸如硬岩)的进展速度可能受到抑制。钻孔可以用于建立水井、油井、天然气井、地下管道等。另外，常规技术的环境影响可能是巨大的。例如，常规的钻孔可能需要有大量的水供应，这在干旱地区可能无法轻易获得。因此，资源开采可能是非常昂贵的、耗时的或两者兼具。
[0021]本公开描述用于使用冲压加速器来向地质材料的工作面喷出一个或多个弹丸的系统和技术。冲压加速器包括分成多个段的发射管。每个段被配置成保持一种或多种可燃气体。沿着发射管向下并且通过多个段使弹丸升压到冲压速度。在冲压速度下，至少部分地由弹丸的形状提供的冲压压缩效应会启动处于冲压燃烧效应的一种或多种可燃气体的燃烧，从而加速弹丸。在一些实施中，弹丸可以加速到超高速。在一些实施中，超高速包括在从冲压加速器发射管喷出或退出后大于或等于每秒2公里的速度。在其他实施中，弹丸可以加速到非超高速。在一些实施中，非超高速包括低于每秒2公里的速度。
[0022]从冲压加速器喷出的弹丸撞击地质材料的工作面。由于弹丸中的大量的动能，在超高速下运行的弹丸通常在冲击后作为流体-流体相互作用在工作面与地质材料相互作用。这种相互作用形成通常以圆柱体的形式的孔。通过发射一系列弹丸，可以使孔钻通地质材料。相比之下，在非超高速下运行的弹丸作为固体-固体相互作用在工作面与地质材料相互作用。这种相互作用可能会使地质材料破裂或碎裂，并且可以形成圆柱形的孔或具有锥形轮廓的弹坑。
[0023]段分离器机构被配置成在包含一种或多种可燃气体的冲压加速器中的不同的段之间提供一个或多个屏障。每个段可以被配置成包含在各种条件(诸如特定压力等)下的一种或多种可燃气体。段分离器机构可以使用隔膜、阀等，其被配置成密封一个或多个段。在发射期间，弹丸穿过隔膜，破坏密封，或阀在发射之前被打开。卷轴机构可以用于将隔膜的未使用的部分移动到位，恢复密封。也可以使用其他分离器机构，诸如球阀、板、重力梯度等。
[0024]可以进一步引导或处理由弹丸的冲击形成的孔。可以将导管插入孔中以防止沉降、指示钻孔路径、部署仪器等。在一个实施中，钻孔器或滑垫片可以耦合到导管并且插入孔底。钻孔器可以包括一个或多个切割或研磨表面，其被配置成使孔形成为大体上均匀的横截面。例如，钻孔器可以被配置成使孔的侧面平滑。
[0025]钻孔器也可以被配置成在导管与孔壁之间施加侧力，从而在特定方向上使钻头倾斜或以其他方式引导钻头。这种方向性使冲压加速器能够形成弯曲钻孔路径。
[0026]导管被配置成接受从冲压加速器喷出的弹丸并且朝向工作面引导弹丸。可以沿着导管向下从冲压加速器发射一系列弹丸，从而允许连续钻孔操作。也可以提供其他操作，诸如将连续混凝土衬砌插入孔中。
[0027]可以从孔中去除包括材料的喷出物，其是由一个或多个弹丸与地质材料的冲击引起的。在一些实施中，由冲击引起的背压可以推动孔中的喷出物。在一些实施中，工作流体(诸如压缩空气、水等)可以注入孔以帮助去除喷出物的至少一部分。可以在弹丸的每个发射之前、期间或之后连续地进行注入。
[0028]也可以部署一个或多个冲压加速器以钻几个孔进行隧道掘进、挖掘等。可以按顺序或同时发射多个加速器以撞击工作面上的一个或多个目标点。在通过弹丸冲击形成几个孔之后，可以使用各种技术来去除由彼此接近的两个或更多个孔限定的多块地质材料。可以通过断电臂施加机械力以从在工作面的地质材料的主体捕捉、断裂或以其他方式释放多块地质材料。在其他实施中，可以将常规的炸药放置到冲压加速器钻的孔中并引爆以使地质材料破碎。
[0029]在一些实施中，常规的钻孔技术和设备可以结合冲压加速器钻孔来使用。例如，冲压加速器钻孔可以用于达到特定的目标深度。一旦在目标深度，可以使用常规的取芯钻头来从在目标深度的地层检索芯样。
[0030]描述的系统和技术可以用于减少时间、成本，和环境所必需的资源开采、资源勘探、施工等。此外，冲压加速器钻孔的能力使能够更深入开采和恢复自然资源。另外，冲击过程中释放的能量可以用于岩土工程勘察，诸如反射地震学、地层特性等。
[0031]说明性系统和机构
[0032]图1是使用冲压加速器102钻孔或挖掘的说明性系统100。冲压加速器102可以定位在与地质材料106或靶材料的相隔距离104处。冲压加速器102具有主体108。主体108可以包括一种或多种材料，诸如钢、碳纤维、陶瓷等。
[0033]冲压加速器102包括升压机构110。升压机构110可以包括气体自动枪、电磁发射器、固体炸药、液体炸药、背压系统等中的一个或多个。升压机构110可以通过提供弹丸118与一种或多种可燃气体中的颗粒之间的相对速度差来操作，所述相对速度差等于或大于冲压速度。冲压速度为弹丸118相对于一种或多种可燃气体中的颗粒的速度，冲压效应在这个速度下发生。在一些实施中，升压机构110内的发射管116的至少一部分可以保持在发射之前的真空下。
[0034]在这里描绘的实例中，升压机构包括爆炸气体自动枪，其包括耦合到腔室114的点火器112。腔室114可以被配置成包含一种或多种易燃或易爆或可爆炸材料，其在被点火器112触发时生成能量反应。在描绘的气体自动枪实施中，腔室114耦合到弹丸118被放置在里面的发射管116。在一些实施中，弹丸118可以包括或接近闭塞器120，其被配置成从发射管116至少临时地密封腔室114。闭塞器可以与弹丸118附接，集成但易碎或分离，但是与弹丸118接触。可以提供一个或多个防爆孔122以提供反应副产物的释放。在一些实施中，发射管116可以是光滑的内螺纹管，包括一个或多个导轨或其他导向特征等。发射管116或其部分可以保持在低于环境大气的压力的压力下。例如，发射管116的部分(诸如在升压机构110中的那些部分)可以被抽空至小于25托的压力下。
[0035]升压机构110被配置成用弹丸118启动冲压效应。冲压效应导致弹丸118对一种或多种可燃气体的压缩，以及靠近弹丸118背面的随后的燃烧。这种压缩导致加热一种或多种可燃气体、触发点火。在放热反应中燃烧的点燃气体对沿着发射管116向下加速的弹丸118施加脉冲。在一些实施中，可以使用烟火点火器帮助或启动点火。烟火点火器可以固定到弹丸118或弹丸118的一部分，或可以布置在发射管内。
[0036]升压机构110可以使用电磁、固体炸药、液体炸药、存储压缩气体等来在冲压速度下沿着发射管116推进弹丸118。在一些实施中，可以使用背压系统。背压系统加速一种或多种可燃气体的至少一部分越过固定弹丸118，从而产生最初固定弹丸118的冲压效应。例如，当弹丸118倚靠在发射管116内时，在高压下的可燃气体混合物可以从发射管116内的端口被排出越过弹丸118。这种相对速度差达到冲压速度，并且燃烧的冲压效应开始并沿着发射管116向下推进弹丸118。也可以使用混合系统，其中弹丸118被移动并且背压被同时施加。
[0037]弹丸118沿着发射管116从