コイルガン

コイルガンは、強磁性体または導電性の発射体を高速に加速するリニアモーターの構成で電磁石として使用される1つ以上のコイルで構成されるマスドライバーの一種です。 ^[1] ほとんどすべてのコイルガンの構成では、コイルと銃身は共通の軸上に配置されています。コイルガンは銃身が滑腔銃身（ライフル銃ではない）であるため、ライフルではありません。

コイルガンは一般に、銃身に沿って配置された 1 つ以上のコイルで構成されており、加速する発射体の軌道はコイルの中心軸に沿っています。コイルは正確なタイミングでオンとオフを切り替えることで、磁力によって発射体が銃身に沿って急速に加速されます。

コイルガンはレールガンとは異なり、レールガンの加速方向は、導電レールによって形成される電流ループの中心軸に対して直角である。さらに、レールガンでは通常、発射体またはサボに大きな電流を流すためにスライド接点を使用する必要があるが、コイルガンでは必ずしもスライド接点は必要ない。^[2]いくつかの単純なコイルガンのコンセプトでは、強磁性発射体や永久磁石発射体を使用できるが、高速用のほとんどの設計では、実際には発射体の一部として結合コイルが組み込まれている。

コイルガンはガウスガンとも異なるが、多くのSF作品ではこの2つを誤って混同している。コイルガンは電磁加速を使用するのに対し、ガウスガンはコイルガンのアイデアよりも古く、加速を与えるためにニュートンのゆりかごに似た構成を使用する強磁性体で構成されている。^[3]

最も古い電磁銃はコイルガンの形で登場し、その最初のものはノルウェーの科学者クリスティアン・ビルケランドがクリスチャニア大学（現在のオスロ）で発明した。この発明は1904年に正式に特許を取得したが、その開発は1845年には始まっていたと伝えられている。彼の記録によると、ビルケランドは500グラムの弾丸を毎秒約50メートル（160フィート/秒）まで加速した。^{[4] [5] [6]}

1933年、テキサスの発明家ヴァージル・リグスビーは、機関銃のように使用できるように設計された固定コイル銃を開発した。この銃は、大型の電気モーターと発電機で駆動されていた。^[7]この銃は当時の科学出版物に数多く登場したが、軍隊の興味を引くことはなかった。^[8]

コイルガンには、シングルステージとマルチステージの 2 つの主なタイプまたは設定があります。シングルステージ コイルガンは、1 つの電磁コイルを使用して発射体を推進します。マルチステージ コイルガンは、複数の電磁コイルを連続して使用して、発射体の速度を徐々に上げます。

強磁性弾の場合、単段コイルガンは、コイル状の電線と電磁石で構成され、その一端に強磁性弾を配置します。このタイプのコイルガンは、電気機械リレーで使用されるソレノイド、つまり強磁性体を中央に引き寄せる電流を流すコイルのような形をしています。大電流がコイル状の電線に流れ、強力な磁場が形成されて弾がコイルの中心に引き寄せられます。弾がこの点に近づくと、電磁石の中央で弾が停止するのを防ぐために、電磁石をオフにする必要があります。

多段設計では、さらに電磁石を使用してこのプロセスを繰り返し、発射体を徐々に加速します。一般的なコイルガンの設計では、銃の「銃身」は発射体が通るトラックで構成され、ドライバーはトラックの周りの磁気コイルに入ります。電磁石への電力は、通常はバッテリー、または高速エネルギー放電用に設計されたコンデンサ(電磁石ごとに 1 つ)などの高速放電ストレージ デバイスから供給されます。ダイオードは、コイルをオフにした後の電圧の逆極性による損傷から、極性に敏感なコンポーネント (半導体や電解コンデンサなど) を保護するために使用されます。

多くの愛好家は、使い捨てカメラのフラッシュコンデンサーや標準的なブラウン管テレビのコンデンサーをエネルギー源として使用し、低インダクタンスのコイルを使用して弾丸を前方に推進するなど、低コストの基本的な設計を使用してコイルガンの実験を行っています。^{[9] [10]}

いくつかの設計では、アルミニウムや銅などの材料で作られた非強磁性の発射体があり、発射体のアーマチュアは加速コイルのパルスによって誘導される内部電流を持つ電磁石として機能します。^{[11] [12]}クエンチガンと呼ばれる超伝導コイルガンは、銃身を形成する隣接する同軸の超伝導コイルのラインを連続的にクエンチすることで作成でき、任意の速度で移動する磁場勾配の波を生成します。移動する超伝導コイルは、サーフボードのようにこの波に乗るようにすることができます。このデバイスは、推進エネルギーが駆動コイルに直接蓄えられたマスドライバーまたはリニア同期モーターになります。^[13]別の方法では、非超伝導加速コイルとその外部に推進エネルギーが蓄えられ、発射体は超伝導磁石になります。^[14]

電源切り替えのコストやその他の要因により発射体のエネルギーが制限される可能性があるが、いくつかのコイルガン設計が単純なレールガンに比べて顕著な利点は、超高速物理的接触と浸食による固有の速度制限を回避できることである。発射体が加速される際にコイルの中心に向かって引っ張られるか、コイルの中心内で浮上することにより、銃身の壁との物理的摩擦は発生しない。銃身が完全な真空（プラズマウィンドウ付きのチューブなど）であれば、摩擦は全く発生せず、再利用期間を延ばすのに役立つ。^{[14] [15]}

コイルガンの設計における主な障害の1つは、コイルを介した電力の切り替えです。一般的な解決策はいくつかありますが、最も単純な（そしておそらく最も効果が低い）のはスパークギャップです。これは、電圧が特定のしきい値に達すると、コイルを介して蓄積されたエネルギーを放出します。より良い選択肢は、ソリッドステートスイッチを使用することです。これには、IGBTまたはパワーMOSFET（パルスの途中でオフにできる）とSCR（オフにする前にすべての蓄積されたエネルギーを放出する）が含まれます。^[16]

フラッシュ カメラをメイン コンポーネントとして使用する場合、フラッシュ チューブ自体をスイッチとして使用するという手っ取り早い切り替え方法があります。コイルと直列に配線することで、静かに、かつ破壊することなく (コンデンサー内のエネルギーがチューブの安全動作限度以下に保たれていると仮定)、大量の電流をコイルに流すことができます。他のフラッシュ チューブと同様に、チューブ内のガスを高電圧でイオン化することでフラッシュ チューブが起動します。ただし、大量のエネルギーが熱と光として散逸し、チューブがスパーク ギャップであるため、チューブにかかる電圧が十分に低下するとチューブの導通が停止し、コンデンサーにいくらかの電荷が残ります。

コイルの電気抵抗と電流源の 等価直列抵抗(ESR) によって、かなりの電力が消費されます。

低速では、コイルの加熱がコイルガンの効率を左右し、非常に低い効率となります。ただし、速度が上昇するにつれて、機械力は速度の 2 乗に比例して増加しますが、正しく切り替えると、抵抗損失はほとんど影響を受けず、したがって、これらの抵抗損失はパーセンテージで見るとはるかに小さくなります。

理想的には、コイルによって生成された磁束の 100% が発射体に伝達され、発射体に作用します。しかし、現実には、実際のシステムでは常にエネルギー損失が存在し、これを排除することはできないため、これは不可能です。

単純な空芯ソレノイドでは、磁気回路の高磁気抵抗のため、磁束の大部分は発射体に結合されません。結合されていない磁束は、周囲の空気にエネルギーを蓄える磁場を生成します。この磁場に蓄えられたエネルギーは、コンデンサが放電を終えても磁気回路から消えるのではなく、コイルガンの電気回路に戻ります。コイルガンの電気回路は本質的に LC 発振器に類似しているため、使用されないエネルギーは逆方向に戻り (「リンギング」)、電解コンデンサなどの有極コンデンサに重大な損傷を与える可能性があります。

逆充電は、コンデンサ端子間に逆並列に接続されたダイオードによって防止できます。その結果、ダイオードとコイルの抵抗によってフィールド エネルギーが熱として放散されるまで、電流は流れ続けます。これはシンプルで頻繁に使用されるソリューションですが、コンポーネントの故障を防ぐために、追加の高価な高出力ダイオードと、十分な熱質量と放熱能力を備えた適切に設計されたコイルが必要になります。

一部の設計では、一対のダイオードを使用して磁場に蓄えられたエネルギーを回収しようとします。これらのダイオードは、残りのエネルギーを消散させる代わりに、次の放電サイクルのために正しい極性でコンデンサを再充電します。これにより、コンデンサを完全に再充電する必要もなくなり、充電時間が大幅に短縮されます。ただし、このソリューションの実用性は、コンデンサの等価直列抵抗(ESR) を介した高い再充電電流によって制限されます。ESR は再充電電流の一部を消散させ、コンデンサ内で熱を発生させ、コンデンサの寿命を短くする可能性があります。

部品のサイズ、重量、耐久性の要件、そして最も重要なコストを削減するには、磁気回路を最適化して、与えられたエネルギー入力に対して発射体により多くのエネルギーを伝達する必要があります。これは、バックアイアンとエンドアイアンの使用によってある程度対処されています。バックアイアンとエンドアイアンは、コイルを囲み、磁気抵抗の低い経路を作成して発射体に結合した磁束の量を改善する磁性材料です。結果は、使用する材料によって大きく異なります。たとえば、趣味の設計では、磁性鋼 (より効果的で磁気抵抗が低い) からビデオテープ (磁気抵抗はほとんど改善されない) まで、さまざまな材料が使用される場合があります。さらに、磁気回路に磁性材料を追加すると、磁束飽和やその他の磁気損失の可能性が悪化する可能性があります。

コイルガンのもう 1 つの重大な制限は、強磁性発射体で磁気飽和が発生することです。発射体の磁束が素材の B(H) 曲線の線形部分にある場合、コアに適用される力はコイル電流 (I) の 2 乗に比例します。つまり、磁場 (H) は I に線形に依存し、B は H に線形に依存し、力は積 BI に線形に依存します。この関係は、コアが飽和するまで続きます。飽和すると、B は H (したがって I) とともにわずかに増加するだけなので、力の増加は線形になります。損失は I ²に比例するため、この点を超えて電流を増やすと、力は増加するかもしれませんが、最終的には効率が低下します。これにより、許容できる効率で単一のステージで特定の発射体を加速できる量に絶対的な制限が課せられます。

飽和とは別に、B(H) 依存性にはヒステリシス ループが含まれることが多く、発射体材料の反応時間も重要になる場合があります。ヒステリシスとは、発射体が永久的に磁化され、発射体の永久磁場としてエネルギーの一部が失われることを意味します。一方、発射体の反応時間により、発射体は急激な B 変化に反応しにくくなります。電流が流されている間、磁束は望みどおりに上昇せず、コイル磁場が消えた後に B テールが発生します。この遅延により、H と B が同位相であれば最大になるはずの力が減少することになります。

超高速発射装置としてのコイルガンの開発作業の大半は、強磁性発射体に関連する制限を回避するために「空芯」システムを使用してきました。これらのシステムでは、発射体は可動コイル「アーマチュア」によって加速されます。アーマチュアが 1 つ以上の「短絡ターン」として構成されている場合、静的発射コイル (またはコイル) の電流の時間変化の結果として誘導電流が発生します。

原理的には、コイルガンは、可動コイルにスライド接点を介して電流を供給するように構成することもできます。ただし、このような配置を実際に構成するには、信頼性の高い高速スライド接点を提供する必要があります。マルチターンコイルアーマチュアに電流を供給するには、レールガンに必要なほど大きな電流は必要ではないかもしれませんが、高速スライド接点が不要であることは、レールガンと比較した誘導コイルガンの明らかな潜在的な利点です。

また、空芯システムには、「鉄芯」システムよりもはるかに高い電流が必要になるというデメリットもあります。しかし、最終的には、適切な定格の電源を供給すれば、空芯システムは「鉄芯」システムよりもはるかに強い磁場で動作できるため、最終的には、はるかに高い加速度と力が可能になります。

単段コイルガンで加速された弾丸の射出速度のおおよその結果は、次の式で得られる^[17]。

${\displaystyle v_{exit}={\sqrt {{\frac {2}{m}}{V\mu _{0}\chi _{m}n^{2}I^{2}}}}}$

mは発射体の質量で、kgで定義される。

Vは発射体の体積で、m ^{3で定義される。}

μ _{0 は}真空透磁率であり、SI単位では4π × 10 ⁻⁷ V · s /( A · m ) と定義される。

χ _{m は発射体の}磁化率であり、印加磁場に対する物質の磁化の度合いを示す無次元比例定数です。これは多くの場合実験的に決定する必要があり、特定の物質の磁化率の値を含む表は、 CRC Handbook of Chemistry and Physicsや Wikipedia の磁化率に関する記事に記載されています。

n はコイルの単位長さあたりのコイル巻数であり、コイルの総巻数をコイルの全長（メートル単位）で割ることで求められます。

I はコイルを流れる電流（アンペア）です。

この近似はコイルガンシステムの速度の上限を素早く定義するのに便利ですが、より正確で非線形な2次微分方程式も存在します。^[17]この式の問題点は、発射体が均一な磁場の中に完全に収まっていること、発射体がコイルの中心に到達すると電流が瞬時に消滅すること（コイルの吸い戻しの可能性がなくなる）、すべての位置エネルギーが運動エネルギーに変換されること（そのほとんどは摩擦力になる）、コイルのワイヤーが無限に細く、互いに重なり合わないため、予想される出口速度が累積的に増加することです。^[17]

小型コイルガンは趣味で作られ、通常、発射エネルギーは数ジュールから数十ジュール（後者は一般的な空気銃に匹敵し、銃器よりも一桁小さい）で、効率は1％未満から数％の範囲です。^[18]

2018年、ロサンゼルスを拠点とするアークフラッシュ・ラボ社は、一般向けに初のコイルガン「EMG-01A」を発売した。この銃は6グラムの鋼鉄スラグを毎秒45メートルの速度で発射し、銃口エネルギーは約5ジュールであった。^[19] 2021年には、より大型のモデルであるGR-1ガウスライフルを開発し、これは30グラムの鋼鉄スラグを毎秒最大75メートルの速度で発射し、銃口エネルギーは約85ジュールであり、^[20] PCPエアライフルに匹敵する。

2022年、イリノイ州レイクフォレストにあるアメリカの銃器クラブ、ノースショア・スポーツ・クラブは、中国北方工業集団公司が製造した、コンパクトな15ジュールマガジン給弾式コイル銃、 CS /LW21（別名「Eショットガン」）の配布を開始した。^[21]彼らは、米国での配布台数が年間5000台に達すると予測しており、^{[22] [23]}製造者は、中国の警察と軍隊に「非致死性暴動鎮圧」用のユニットを供給する計画も発表している。^[24]

より費用がかかり、より高度な設計を行えば、はるかに高い効率とエネルギーが得られます。1978年、ソ連のボンダレトフは、長さ1cmの2グラムのリングを5000m/sまで加速させることで、単一ステージでの記録的な加速を達成しました。 ^[25]しかし、最も効率的な現代の設計は、多くのステージを必要とする傾向があります。^[26]宇宙打ち上げ用のはるかに大きな超伝導システムには、90％以上の効率が必要になると推定されています。^[15]実験的な45ステージ、長さ2.1mのDARPAコイルガン迫撃砲の設計は、 1発あたり1.6メガジュール KEで、22％の効率です。 ^[27]

コイルガンは従来の銃（時にはレールガンの代替品）との競争力という課題に直面しているが、兵器としての研究が行われている。^[27]

DARPAの電磁迫撃砲プログラムは、十分な軽量化などの実用的な課題が達成されれば、その一例となる。コイルガンは比較的静かで煙が出ず、位置がバレることもないが、超音速の弾丸はソニックブームを起こすだろう。砲身の長さに沿って弾丸を調節可能でスムーズに加速させることで、速度を上げることができ、120mm電磁迫撃砲の射程距離は、同長さの従来型よりも30%伸びると予測されている。別途推進剤を装填する必要がないため、研究者らは発射速度が約2倍になると想定している。^{[27] [28]}

2006年には、評価のために120mmの試作機が製作中だったが、サンディア国立研究所は配備までに5年から10年以上かかると見積もっていた。^{[27] [28] 2011年には、将来の}統合軽戦術車両のハイブリッド電気バージョンで運用する81mmコイルガン迫撃砲の開発が提案された。^{[29] [30]}

電磁航空機カタパルトは、将来の米国のジェラルド・R・フォード級航空母艦に搭載されるものも含め、計画されている。電磁ミサイル発射装置（EMML）の実験的な誘導コイルガン版は、トマホークミサイルの発射用にテストされている。^[31]中国のHITでは、戦車用のコイルガンベースのアクティブ防御システムを開発中である。 ^[32]

コイルガンの潜在能力は軍事用途を超えて広がると考えられています。

ギガジュール規模の運動エネルギー（メガジュール以下ではなく）の発射質量と速度を持つ巨大なコイルガンに資金を提供するための課題とそれに伴う資本投資を克服できる組織はほとんどありません。地球や月への発射装置として次のようなものが提案されています。

• 1975年のNASAの研究で検討された野心的な月面基地の提案では、4000トンのコイルガンで数年かけて1000万トンの月面物質をL5に送り、9900トンの大型発電所を利用して大規模な宇宙植民地化を支援することになっていた。^[33]
• 1992年のNASAの研究では、330トンの月面クエンチガン（超伝導コイルガン）は、平均350kWという比較的少ない電力で、重量1.5トンで主に液体酸素を搭載した弾丸を年間4400発打ち上げることができると計算された。^[34]
• NASAエイムズ研究所が地上打ち上げ時の熱シールドの空力要件を研究した後、サンディア国立研究所は宇宙船用の電磁発射装置を調査し、レールガンとコイルガンの両方を使用した他のEMLアプリケーションを研究しました。1990年には、小型衛星の打ち上げ用に1キロメートルの長さのコイルガンが提案されました。^{[35] [36]}
• サンディア研究所でのその後の調査には、2005年に提案された極めて長いコイルガンのスタートラムコンセプトが含まれており、その1つのバージョンでは、生存可能な加速で乗客を軌道に打ち上げることが想定されていました。^[37]
• マスドライバーは、本質的には、磁化可能なコンテナとペイロードで構成されるパッケージを磁気的に加速するコイルガンです。加速されると、コンテナとペイロードは分離し、コンテナは減速されて別のペイロードを受け取るためにリサイクルされます。

• 電磁推進
• カール・フリードリヒ・ガウス
• ヘリカルレールガン
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• 管状リニアモーター

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• コイルガンのプロトタイプ。CG42-フルオートコイルガン