軽ガス銃

軽ガス銃は物理学実験用の装置です。これは非常に高速な速度を発生させるために設計された高度に特殊化された銃です。これは通常、隕石による衝突クレーターの形成や微小隕石による物質の侵食など、高速衝突現象(超高速研究 ) の研究に使用されます。一部の基礎材料研究では、高圧を生成するために発射体の衝突に依存しており、このようなシステムは液体水素を金属状態にすることができます。^{[引用が必要]}

軽ガス銃は、スプリングピストン式エアガンと同じ原理で作動します。大径ピストンを使用して、加速する発射体を含む小径バレルにガス作動流体を押し込みます。この直径の減少がてこの役割を果たし、速度を上げながら圧力を下げます。エアガンでは、大ピストンはスプリングまたは圧縮空気によって駆動され、作動流体は大気の空気です。

軽ガス銃では、ピストンは化学反応（通常は火薬）によって駆動され、作動流体はヘリウムや水素などのより軽いガスです（ヘリウムの方がはるかに安全ですが、水素は最高の性能を発揮し（以下で説明）、発射管の浸食が少なくなります）。軽ガス銃がエアガンに追加するものの1つに、破裂ディスクがあります。これは、バルブとして機能するように慎重に調整された厚さのディスク（通常は金属製）です。ディスクの後ろで圧力が目的のレベルまで上昇すると、ディスクが破裂し、高圧の軽ガスが銃身に流れ込みます。これにより、発射体が動き始めるときに最大限のエネルギーを利用できるようになります。

軽ガス銃は一般的に単段式と二段式に分類される。^[1]

こうした単段式軽ガス銃の 1 つが、ウィスコンシン州ミルウォーキーのマルケット大学にあります。この銃は、20 GPa までの圧力領域でポリマーや金属を研究するために使用されていました。マルケット大学の軽ガス銃は PAI 社によって製造され、2015 年に納入されました。この銃には 2 つの銃身があり、15 フィート、2 インチの滑腔銃身と 13 フィート、2 インチのスロット銃身です。スロット銃身は、圧力せん断荷重と複雑なターゲットとフライヤーの相互作用を可能にします。最大作動圧力は 10,000 psi で、200 g の発射体を最大 1,200 m/s で発射できます。ターゲットタンクは、通常、平面および傾斜衝突実験用に構成されています。ソフトキャッチシステムは、発射後の分析のために材料を回収するためによく使用されます。^[2]

NASAが使用する軽ガス銃の 1 つは、改造された 40mm 砲を動力源としています。この大砲は火薬を使用して、高圧水素ガスが充填された大砲の砲身内でプラスチック (通常はHDPE ) のピストンを押し下げます。大砲の砲身の端には円錐状の部分があり、そこから 5mm 砲身に至り、弾丸を発射します。この円錐状の部分には、厚さ約 2mm のステンレス鋼の円盤があり、中央の表面には「x」の模様が刻まれています。水素が十分な圧力を発生してディスクの刻み目部分を破裂させると、水素は穴を通って流れ、弾丸を約 1 メートルの距離で 6 km/s (22,000 km/h) の速度まで加速します。

NASAはエイムズ研究センターで、直径0.170インチ（4.3 mm）から1.5インチ（38 mm）までの発射管を備えた軽ガス銃も運用している。ホワイトサンズ試験施設では危険試験^[3]が実施されている。これらの銃は、1960年代のアポロ計画の再突入研究に始まり、最近では高速熱画像撮影にまで様々なミッションのサポートに使用されてきた。1 km/sから8.5 km/sまでの速度を達成できる。これらの最大の銃では、水素を圧縮するために直径6.25インチ（159 mm）のピストンが使用され、重量は46ポンド（21 kg）を超える。

アーノルド空軍基地のレンジGは、「米国で日常的に運用されている2段式軽ガス銃システムとしては最大規模」である。^[4]レンジGは、口径3.3インチ（84 mm）から8.0インチ（200 mm）までの交換可能な発射管と、最大2,300ポンド（1,000 kg）の重量がある14.0インチ（360 mm）のピストンを使用している。発射速度は、8.0インチ（200 mm）構成で毎秒4.5キロメートル（16,000 km/h）、3.3インチ（84 mm）発射装置構成で毎秒7キロメートル（25,000 km/h）に達する。^[4]アーノルド空軍基地の射撃場施設の主な用途は、発射体が衝突した際に放出される運動エネルギーの測定である。

空気銃、火器、または軽ガス銃の銃口速度は、作動流体（空気、燃えている火薬、または軽ガス）中の音速によって制限されますが、これに限定されるわけではありません。音速までであれば、熱力学によって簡単な近似計算方法が得られます。発射体は両端の圧力差によって加速され、そのような圧力波は媒体中を音速よりも速く伝播できないため、熱力学解析では銃口速度は音速に制限されると示唆されます。しかし、音速を超えると、音速を決定する気体の運動論によって、作動流体を構成する気体粒子に関するより詳細な解析が得られます。運動論によると、気体粒子の速度はマクスウェル-ボルツマン分布であり、粒子の大部分の速度がガス中の音速を超えています。そのガスの一部は、発射体の速度が増加するにつれて減少しながらも、発射体に圧力を加え続け、音速を超えて加速させることができます。

ヘリウム中の音速は空気中の約 3 倍、水素中の音速は空気中の約 3.8 倍です。音速は流体の温度とともに増加しますが (圧力とは無関係)、作動流体の圧縮によって発生する熱が最大速度の増加に役立ちます。スプリング ピストン エアガンは、断熱加熱によってチャンバー内の空気の温度を上昇させます。これにより、摩擦やその他の効率損失を克服するのに十分なほど局所的な音速が上昇し、周囲条件での音速よりも速く発射体を推進します。

ハイブリッド電熱軽ガス銃は、標準的な軽ガス銃と同様の原理で作動するが、電気アークを追加して、ピストンのみの場合よりも高温高圧に軽ガスを加熱する。アークは軽ガスが入っているチャンバーに適用され、温度と圧力が上昇し、ガスが破裂ディスクを破壊し、点火のために穴が開けられたピストンの後ろにある推進剤に点火する。電気加熱とピストンの圧縮の組み合わせにより、圧力と温度が高くなり、標準的な軽ガス銃よりも高い出力と高い潜在速度が得られる。^{[5] [6]}

軽ガス銃から発射された弾丸が標的に衝突するとき、加えられる圧力は、弾丸の質量と、衝撃力が分散される表面積、つまり断面積によって決まります。空中発射された弾丸は空気分子との摩擦を受けるため、抗力は弾丸の表面積の増加に比例して増加し、その結果、弾丸の表面積が大きいほど速度が遅くなります。そのため、密度が高く幅の狭い弾丸は、軽量で幅の広い弾丸よりも全体的に大きな圧力を加えます。研究者は最近、断面積が一定の弾丸に注目し、弾丸の密度を長さの関数として変化させ始めました。弾丸は既知の速度で移動するため、長さの関数としての密度の変化は、時間の関数として加えられる衝撃圧力と予測可能な関係があります。幅広い密度の材料（タングステン粉末からガラスの微小球まで）を薄い層に塗布することで、慎重に作られた弾丸を定圧実験や、制御された圧縮-膨張-圧縮シーケンスに使用できます。

• 燃焼軽ガス銃は、燃焼したガスを推進剤として使用する高速度銃です。
• ラム加速器は、異なる原理を使用して同様の発射速度を実現する高速砲です。
• 衝撃管は、超高速のガスの特性を実証するために使用されるツールです。
• ヴォイテンコ コンプレッサーは、水素ガスを使用して薄いディスクを約 40 km/s まで加速する成形電荷駆動装置です。
• 超高高度研究プロジェクト
• 宇宙銃

• ローレンス・リバモア国立研究所のガス銃
• クイックローンチ（別名テックローンチ）は、低地球軌道に燃料を打ち上げる1kmの水素砲の商業化を計画している。
• 超高速イベントへのリアルタイム反応とトリガー予測機能を備えたテストシーケンサーと高速カメラコントローラー