レールガン

レールガンは、物体を電磁気力により加速して撃ち出す装置である。

なお、電磁気力に基づく投射様式全般の呼称として、電磁投射砲やEML 、電磁加速砲などがある。原理が単純で古くから知られていることもあり、ビデオゲームをはじめとするサイエンス・フィクション作品にも幅広く登場しており、それらの作中では兵器として扱われることが多い。

1. 概要
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この装置は並行に置かれた2本のレールとなる電極棒の上に弾体となる金属片を乗せて電流を流し、電磁力により金属片を駆動し射出するというものである。

磁場を与えるために磁石やコイルが追加されることがある。入力される電力が増え弾体が高速になるにつれ

レールとの接触を保つのが難しくなる。
空気抵抗と、摩擦熱、ジュール熱といった損失が増大する。といったデメリットが生じる。なお以下に詳しく述べるが、発射に足る電力の供給も大きな課題となっており、また大電流によってレールや弾体の一部が蒸発・プラズマ化するといった問題が生じる。

既に実用化に向けた取り組みが各国で行われており、米国、ロシア、中国、トルコ、日本などがレールガンの軍事研究を進めていると発表、また開発中の発射映像を公開した。アメリカは2005年に世界に先駆けて研究開発を開始したが、2021年に開発の中止を発表。日本は2023年に世界初となる洋上での発射試験に成功するなど開発を継続している。

2. 原理/構造
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単純には、並行に置かれた2本の電極をレールとし、その上に弾体となる金属片を乗せ、レールのそれぞれを電源の両極につなげば実現する。

2本のレールの通電側が銃尾に相当する。
銃尾に近いところで、2つの電極両方と触れるように弾体を置くことで電気回路が形成される。
電流が流れている間、弾体は、レールの解放端へ向かう方向に駆動される。この駆動力は磁場の中に置いた導体に電流を流した時に生じる力、あるいは通電中の導体同士に働く相互作用としてフレミング左手の法則に基づくごくごく一般的なものであり、以下に述べる通り基本原理自体は単純である。

2.1. 電流によって生じる磁場
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レールと弾体によって形成される「コの字」状の回路に通電するとき、電流を取り巻く磁場が考えられる。電流によって生ずる磁場の方向は、「右手の親指を電流の方向に沿わせたときに他の4指が巻く向き」である。「コの字」の収まる面内で弾体の周囲に着目すると、磁場の向きは面に垂直でかつ、「コの字」の内側と外側で逆向きになっている。

さらにいうと「コの字」の角の部分の内側が特に磁場が強く、これが駆動に寄与する。弾体の内部に分布する駆動力は一様ではなく、レール方向に対し減速する方向や横向きに働く部分もあるが、前述の『「コ」の字の角の内側』が支配的であり、弾体を加速させている。

※高出力を得るためには、レール電流の他に追加の磁場源を置くほうが容易である。

2.2. 電流と磁場と駆動力の関係
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一様磁場を仮定した場合、金属片に働く駆動力 は、磁束密度を 、 電流強度を 、 レール間隔を とするとき

で与えられる。

これはレールガンに照らし合わせると、電流によって生じる磁場が無視できるほどの強磁場が加えられている場合、「電流の方向」と「磁場の方向」の両者が収まる平面を考えたとき、その平面に対して直交する方向に駆動する。これらは

「電流の方向」と「磁場の方向」とが互いに90°で直交するときに最大の駆動力が得られる。
駆動力は、レール間隔、電流強度、磁束密度それぞれに比例する。ことを意味する。

さらに以下のような条件が加わる。

レールと弾体のみで構成する場合の磁場は一様とはほど遠いから、局所ごとに上の式に従うと考えられる。
レールと弾体のみで構成する場合は磁場も電流に概ね比例するから、電流の2乗に比例した駆動力となる。
レールと弾体のみの場合、弾体を加速する電磁力は、主に、レールと弾体の接点近傍に集中する。さらに、直線導体のみで強磁性体を介さない機構であるため、コイルや磁石を用いたリニアモータに比べて大電流を必要とする。
実際には、回路で生じる磁場とは別に磁束源を足した方が高出力を得やすい。
通電し弾体が駆動されているとき、２本のレール棒についても、それぞれ互いに遠ざかる方向に駆動されるため、これに耐えるよう固定する必要がある。
弾体はレールと接触している間は駆動し続けるため、原理上はレールが長いほど発射速度を上げられる。投射される物体は必ずしも電気伝導体である必要はなく、この金属箔を貼り付けた非導電性個体をもちいる様式もある。プラズマなどを駆動媒体とし、非導電性の弾体を飛ばすことも可能。

なお、プラズマを駆動体に用いる場合は、プラズマが弾体を追い越して漏れないよう、一般の火薬ガンやガスガンと同様かそれ以上に気密性に富んだ「砲弾形状に合わせた砲身」が必要となる、ただしレールガンの砲身は電気絶縁性が要求される。実際に開発・利用されているレールガンでは、プラズマ化に伴う膨張力や熱などに耐えられなければならず、またプラズマ化に伴う膨張圧も弾体の加速に利用する場合は、尾栓に相当する部品を必要とし、これは非伝導体である必要がある。なお、単純にプラズマ膨張圧のみを弾体加速に用いる形式は、サーマルガンと呼ばれる別形態の装置である。

3. 特性
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利点弾丸がミサイルと比較し安価であり、従来の火薬推進の限界を遥かに超える高初速と、それによる長い射程を得られる欠点接触型ということもあり他の電磁駆動に比べて損失が大きく電源要求が大きいレールガンが打ち出す弾体の速度は、単純化された理論上は電流/磁場強度とレール長に依存する。実際にはレール長が十分であれば電磁力と摩擦等の各種損失がつりあう速度が最大速度となる。

損失が無視できる条件下では、加速度は電流と磁場の強度に依存する。次のようなレールガン特有の損失があり、これらは弾速上昇にともない増大する。

速度表皮効果によって投入エネルギーの多くがジュール熱として奪われる。
温度上昇や、接触不良により不要なプラズマが発生する。また、大電流の供給、加速距離やレールの摩擦・電気抵抗・耐熱限界といった点に物理的・技術的制約がある。

3.1. 到達速度
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1960年代には、オーストラリア国立大学に所属するリチャード・マーシャルらのグループが550メガジュールを入力した長さ5メートルのレールガンによって、3グラムの弾丸を5.9km/s  での射出に成功した。なお、21世紀初頭には最大速度8km/s程度のものが開発されている。

比較として火薬を使う火器の弾丸の銃口初速度を記すと、

拳銃 　230 - 680m/s
ライフル銃　750 - 1,800m/s程度
戦車砲　仏GIAT製120mm/L52滑腔砲にAPFSDSであるOFL120F1タングステン徹甲弾を使用時　1,790m/s
火薬と水素を使ったライトガスガン 　6 - 7km/sである。

火薬を使用する火器では、燃焼によって生じる熱エネルギーの大半が弾体の駆動に寄与せず、また弾体の速度はガスの膨張速度を超えられない。最新の爆薬を使ってせいぜい2km/s程度である。これらと比べて、現状の実験段階のレールガンでも遥かに大きい発射速度が得られる。

4. 速度表皮効果
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導体内の磁場が変化するとき、磁場の変化を妨げる方向に誘導起電力が生じる。これは電気を流す視点で見ると、自己インダクタンスと呼ばれるある種の抵抗とみなされ、導体の内部の電流路の変化を妨げ、変動する電流を導体の表面へ追いやるように作用する。

レールガンでは弾体の移動に合わせてレール内の電流路が移動する際に自己インダクタンスの影響を受ける。すなわち、レール側では弾体との接触部近傍で表皮に電流が集まり、弾体側ではレールとの接触部近傍において後端側へ電流が集中する。

この作用は交流電流の表皮効果と同様に、移動が高速になるにつれ顕著となる。

条件次第では、弾体の後端やレールの表面が、ジュール熱により溶解し、プラズマ化してしまう。

このプラズマが新たな電流路となるとき、電磁力の他に速度表皮効果を受けるため予測しがたい挙動となり、加速に寄与せず散逸する。

レールガンの高性能化は速度表皮効果の対策次第と考えられているdate=2019-06-02}}。

5. 類似の投射方式
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リニアモーター 主に、走査される磁場によって導体や磁性体、磁石を加速する装置を指す。レールガンが１巻きコイル1個であるのに対しリニアモーターは多数の電磁石 を並べて構成される。 コイルガン コイル内に弾を通過させる方法を利用したもの。構造上の問題からレールガンのような高速を得にくいという欠点と、非接触でロスが小さいという利点がある。 サーマルガン 電磁力ではなく電流のジュール熱 にて弾体後方の導体をプラズマ化 させ、その急激な体積増加により駆動するもの。すなわち瞬間的なプラズマ化に伴う爆発 を利用する。比較的低入力の割に高い初速度が得やすいものの、同時にプラズマ膨張速度が限界値となる。

6. 兵器としての実用化
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6.1. アメリカ
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6.1.1. アメリカ海軍
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2005年、アメリカ海軍はズムウォルト級ミサイル駆逐艦で採用が決定したAGS 155mm砲と呼ばれるロケットアシスト砲の次の段階として、レールガンの技術開発に着手した。

ズムウォルト級駆逐艦の特色として統合電力システム  を採用しており、大型ガスタービンエンジンで電力を発電、これを船の電気系統はなおのこと推進器などの動力として使う計画であるが、これを更に進めてレールガンにもこの電力を供給し発射しようという計画である。

計画では揚陸作戦支援に重量15kgの砲弾を初速2.5km/sで発射、高度152kmまで打ち上げて370km以上先の攻撃目標に終速1.7km/sで着弾させる、このためには砲口での砲弾運動エネルギーは64MJを必要としている。2020 - 2025年頃を目処に実用機を艦船に搭載することを目標として、BAEシステムズ社とジェネラル・アトミックス社が32MJ砲のプロトタイプを開発、下記の通り試験が実施された。

2006年10月、口径90mm・2.4kg砲弾を砲口での砲弾運動エネルギー800キロジュールで発射成功
2007年1月、3.2kg砲弾で初速2146m/s　砲弾運動エネルギー7.4MJで発射成功
2008年1月、3.35kg砲弾で初速2520m/s　砲弾運動エネルギー10.64MJで発射成功
2010年12月10日、アメリカ海軍研究局は、バージニア州ダルグレン海上戦センターで約10.4kgの砲弾を音速の約8倍、砲弾の運動エネルギーは約33MJでの発射に成功した。これは、目標である15kgの砲弾の2.5km/s、64MJに極めて近づきつつある結果である。2014年4月7日、アメリカ海軍は2016年中にスピアヘッド級遠征高速輸送艦にレールガンの試作機を搭載し洋上での実証試験に入ると発表したが、その後スケジュールの遅延により最終的には2025年までずれ込んだ。

2021年、米国メディアの報道によると、米海軍はレールガン･プログラム及びそれの代替となりうるとされていたHVP弾の開発計画への資金供給を0に設定した2022会計年度の軍事予算申請を提出したと報じた。これは事実上の開発中止である。一説では、近年中国などで急速に開発・実戦配備が進む極超音速兵器と比較して、射程や迎撃回避性能が共に大きく劣り、たとえ将来的に開発が完了したとしても今更優位性が殆ど得られないと言われている。

6.2. 中国
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2018年、中華人民共和国でレールガンと思われる巨大な砲塔を玉亭型揚陸艦の艦首に搭載した写真が撮影され、2019年1月5日に国営の環球時報は中国中央電視台を引用しながら中国人民解放軍海軍は艦載レールガンを近く実戦配備すると報じた。

また、30日には米CNBCが米情報機関の関係筋の話として中国でのレールガンの開発は2011年に初めて確認されており、2017年末に艦載化に成功し、2023年までに洋上試験が完了する見通しであると報じた。

6.3. 日本
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防衛省は、2015年まで米国を中心とした国内外のレールガン関連技術の開発状況を調査するとともに、基礎技術に関する研究を実施した。

2016年、レールガンを導入するためには米国側の技術協力が不可欠だが、日本側に技術の蓄積がなければ十分な協力が得られないとの事情もあり、日本政府は日本としても独自に研究開発を行う必要があると判断。本格的な研究開発に着手する方針を固めた。

平成28年度から令和4年度にかけて電磁加速システムの研究試作が実施された。この研究では口径40mm、単射式のレールガンにおいて弾丸の高初速化及びレール耐久性の向上が目標とされた。

2022年9月2日に発表された「令和3年度　事前の事業評価」において、令和4年度から令和8年度までレールガンの研究試作を実施することが示された。 極超音速誘導弾に対する防空手段や、艦艇又は地上目標に対して回避が困難な打撃を遠距離から与える手段となるレールガンを構想し、高初速で弾丸を連射可能な将来レールガンに関する研究を行うとしている。

2022年12月に公開された「防衛力整備計画」において、今後もレールガンに関する研究を継続することが明記された。

2023年10月17日、防衛装備庁は海上自衛隊の艦艇にレールガンを搭載し、世界初となるレールガンの洋上射撃試験を実施したと実験動画と共にポストした。

7. 歴史
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フランスの発明家 Andre Louis Octave Fauchon-Villepleeによる発案。彼は 1917 年にthe //Société anonyme des accumulateurs Tudor// の協力の元、実機を作成した。最初に原理的に説明されたのは第二次大戦時下の 1944年、Nazi Germany's Ordnance Office の Joachim Hänsler による。

発射速度は入力された電流に正比例する事は先に述べた通りだが、原理自体は古くから知られており、1844年にはこれに基づいた兵器利用の実用化構想もあった程で、世界各国の軍部が事ある毎に研究してきた歴史がある。第一次/第二次世界大戦当時にもドイツや日本で兵器化への研究が行われていたdate=2022-08}}。しかし弾体が砲身に接触している事から生じる摩擦の問題を解決できなかったり、実際に発射できるだけの電流を生み出す電源が無いといった理由から、当時の技術ではこの問題を解消できずに研究は放棄され、実用化に到らなかった。

1960年代に、リチャード・マーシャルらのグループが単極発電機の発生させる電流を用いて、従来火器よりも遥かに速い速度で弾丸を射出する事に成功、次第にその威力が現実的な物として考えられるようになり、1980年代にはアメリカ合衆国のスター・ウォーズ計画により、多額の研究資金を得て、大きく発展した。特に宇宙空間では空気抵抗が無いために、高速で運動する物体の破壊力は発射から命中までの間、ほぼ無期限に保存される事、また電源として大気越しではない太陽光が利用できる事から、レーザーと並んで宇宙兵器の有力候補に挙げられている。だが今日では、SDI計画自体が国際情勢の変化に合わせて計画縮小され、実用性においては実績のある既存の火薬を燃焼させて発射する兵器と比較し、巨大な電源装置を必要とする等の点で問題の多い上に、実績も無いレールガンの宇宙兵器化研究は進んでいない。

その一方で、1990年代頃から技術開発や研究方面での利用も進み、様々な分野で開発・利用されている。

日本では宇宙科学研究所で、デブリ衝突などの模擬実験用に研究と同時に実用に供されていた。

なおレールガン開発の歴史は、レールガン本体の改良よりも、むしろ電源開発の歴史と述べた方が適切とされており、SDI計画においても、単極発電機の小型化が最重要課題とされていた。今日各方面で利用されているレールガンにおいては、フライホイールに蓄電された物やコンデンサに蓄電した物が利用されるなどしている。

8. 脚注
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9. 参考文献
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最新科学論シリーズ15『最新宇宙飛行論』学研

10. 関連項目
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コイルガン
マスドライバー
単極発電機
スペースデブリ
荷電粒子砲
フレミング左手の法則
右ねじの法則

11. 外部リンク
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米国海軍研究局 - [1]
2004年6月14-16日に行なわれた国際兵器技術シンポジウム＆展示会での [2]
Military.com - [3]
[4] l 宇宙科学研究所の一般公開でおこなわれていた主にスペースデブリ実験用のレールガンのデモンストレーションの動画等
[5]個人製作のレールガンによる実験等