レールガン
レールガン(railgun)は、物体を電磁気力(ローレンツ力)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(でんじとうしゃほう)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(レールガンに関連する作品の一覧)。
なお、レールという言葉が含まれているが、いわゆる鉄道や列車砲とは無関係である。
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(主に電流の量的な問題)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盛んであるが、概念上のもの、または架空のものと「誤解」して扱われる場面が多い。一例として、後述するように米軍により2016年に電磁加速砲を洋上実験する計画がある。ほかにも2019年現在、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ている。技術的には米軍が兵器分野でリードしており、陸上と艦船で何度もテストを実施している。また、トルコ軍は多種の兵器応用能力を備える電磁砲を開発し、国際防衛見本市で販売している。
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辺を乗せ、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(いわゆる「弾の装填」に相当)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(電流が流れていない側)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。
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(磁石や電磁石)を置くほうが容易である。
一様磁場を仮定した場合、金属片に働く駆動力 \boldsymbol{F}
は、磁束密度を \boldsymbol{B}、 電流強度を \boldsymbol{I}、 レール間隔を \ell とするとき
\boldsymbol{F} = \ell
\boldsymbol{I}\times\boldsymbol{B}
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(→圧力)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。
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
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(後述)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。
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 ( = 5,900m/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。
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(レンツ則に関連)。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。
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(ソレノイド)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。
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。
現在、レールガンは様々な分野での利用を期待されている。比較的知られている分野では以下が挙げられる。
マスドライバー (地表から宇宙への輸送装置)
スペースデブリ(宇宙ゴミ)衝突を想定した宇宙開発における新素材や新構造の研究・開発
宇宙兵器(隕石衝突を回避するための防衛技術も想定されている)
この他、入力する電流の量により、発射速度や射出タイミングをコントロールしやすい事から、レーザー核融合炉の燃料ペレット投入装置としての利用が期待されている。
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ていることが2007年の米ネイビーリーグ(技術展示会)で発表された。米国海軍研究局(ONR)でもこの事実は確認された 。
ズムウォルト級駆逐艦の特色として統合電力システム (IPS) 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。同艦では2基のガスタービン発電機により、最大80メガワットの電力を発生させる。この電力は全速航行時には70MWまでもが推進に使われるが、常時最大船速を出す訳ではないので、速度を落としている際に余る電力が利用されると考えられており、15~30MW程度をレールガン発射に回せれば、毎分6 - 12発の連続射撃が可能だという。
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(マッハ5)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(メガジュール・入力する電力ではなく、砲弾のもつ運動エネルギーである)を必要としている。
同計画では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砲の試作に入っており、2006年10月の時点で口径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(0.8MJ・初速830m/s)で発射に成功、2007年1月には3.2kg砲弾で初速2146m/s 砲弾運動エネルギー7.4MJを、2008年1月の試射では3.35kg砲弾で初速2520m/s 砲弾運動エネルギー10.64MJを記録している。2010年12月10日には、約10.4kgの砲弾を音速の約8倍(約2.7km/s)、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年会計年度中にレールガンの試作機を最新鋭の高速輸送艦ミリノケットに据え付け、洋上での実証試験に入ると発表した。日本では、防衛省の2015年度概算要求にて、「艦載電磁加速砲の基礎技術に関する研究」を記載している。
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(CCTV)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。
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(超高速発射体)弾の開発計画、共に資金供給を0に設定した予算案を提出したと報じた。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共に大きく劣り、例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。
一方、日本では令和4年度防衛予算概算要求において、極超音速兵器の迎撃や迎撃困難な長射程対艦攻撃として電磁レールガンの開発継続を公表している。
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 (now Tudor Batteries)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。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(高射砲一門だけのために、専用発電所が二つ必要という試算さえあった)。
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(SDI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(運動エネルギー)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(運動エネルギーの形で)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。