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軽ガス銃は物理実験用の装置です。極めて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。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）の研究に用いられます。
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動作します。大径ピストンを用いて、加速させる弾丸を収めた小径バレルに気体状の作動流体を押し込みます。この直径の縮小がてこの原理として働き、圧力を下げながら速度を上昇させます。エアガンでは、大径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、作動流体は大気圧の空気です。
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軽いガスです（ヘリウムの方が取り扱いははるかに安全ですが、水素は最高の性能を発揮し（後述）、発射管の摩耗も少なくなります）。軽ガス銃がエアガンに加える機能の一つに破裂板があります。これは、バルブとして機能するように設計された、厚さが精密に調整されたディスク（通常は金属製）です。ディスクの後ろの圧力が所定のレベルに達すると、ディスクが破裂し、高圧の軽いガスが銃身内に流れ込みます。これにより、発射体が動き始めたときに最大のエネルギーが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の軽ガス銃に分類される。[ 1 ]
単段式軽ガス銃の1つは、ウィスコンシン州ミルウォーキーのマルケット大学に設置されています。これは、最大20 GPa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、1つは15フィート2インチの滑腔銃身、もう1つは13フィート2インチのスリット銃身です。スリット銃身は、圧力せん断荷重と複雑な標的と飛行体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。標的タンクは通常、平面および傾斜衝突実験用に構成されています。発射後の分析のために材料を回収するために、ソフトキャッチシステムがよく使用されます。[ 2 ]
NASAが使用するある軽ガス砲は、改良型40mm砲を動力源としている。この砲は火薬を用いて、高圧水素ガスが充填された砲身内をプラスチック（通常はHDPE）製のピストンを押し下げる。砲身の先端には円錐形の部分があり、そこから弾丸を発射する5mm砲身へと繋がっている。この円錐形の部分には、 厚さ約2mmのステンレス鋼製の円盤があり、中央の表面に「×」字型の溝が刻まれている。水素の圧力が円盤の溝部分を破裂させるのに十分なレベルに達すると、水素は穴を通って弾丸を加速させ、約1メートルの距離で秒速6km （時速22,000km）の速度まで加速させる。
NASAはエイムズ研究センターで、発射管のサイズが0.170インチ（4.3 mm）から1.5インチ（38 mm）までの軽ガス銃も運用している。危険物試験はホワイトサンズ試験施設で実施されている。[ 3 ]これらの銃は、1960年代のアポロ計画の再突入研究から始まり、最近では高速熱画像撮影に至るまで、さまざまなミッションを支援するために使用されてきた。1 km/sから8.5 km/sまでの速度を達成できる。これらのうち最大のものは、水素を圧縮するために46ポンド（21 kg）以上の重さの直径6.25インチ（159 mm）のピストンを使用している。
アーノルド空軍基地のRange-Gは、「米国で日常的に運用されている最大の 2 段式軽ガス砲システム」です。[ 4 ] Range-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を使用し、最大2,300 ポンド (1,000 kg)の重量の14.0 インチ (360 mm)のピストンを備えています。発射体の速度は、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)に達する可能性があります。[ 4 ]アーノルド空軍基地の射撃場施設の主な用途は、発射体の着弾時に放出される運動エネルギーの測定です。
エアガン、銃、または軽ガス銃の銃口速度は、作動流体（空気、燃焼中の火薬、または軽ガス）中の音速によって制限されますが、それに限定されるわけではありません。音速までは、熱力学は単純な近似計算方法を提供します。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の音速よりも速く伝播できないため、熱力学的分析では銃口速度は音速に制限されることが示唆されます。しかし、音速を超えると、音速を決定する気体運動論は、作動流体を構成する気体粒子の観点からより詳細な分析を提供します。気体運動論は、気体粒子の速度がマクスウェル・ボルツマン分布に従い、粒子の大部分の速度が気体中の音速を超えることを示しています。この割合の気体は、発射体の速度が増加するにつれて減少する量で、音速を超えて発射体に圧力を加え続け、発射体を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（圧力には依存しません）、作動流体の圧縮によって発生する熱は、可能な限り最大の音速を高めるのに役立ちます。スプリングピストン式エアガンは、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、局所的な音速が十分に上昇し、摩擦やその他の効率損失を克服して、周囲環境における音速を超える速度で発射体を推進することができます。
ハイブリッド電気熱式軽ガス銃は、標準的な軽ガス銃と同様の原理で動作しますが、電気アークを追加して、ピストンのみの場合よりも高い温度と圧力で軽ガスを加熱します。アークは軽ガスを含むチャンバーに印加され、ガスが破裂ディスクを破壊し、点火を可能にするために穴が開けられたピストンの後ろの推進剤に点火する点まで温度と圧力を上昇させます。電気加熱とピストン圧縮の組み合わせにより、より高い圧力と温度が得られ、標準的な軽ガス銃よりも高い出力とより高い潜在速度が得られます。[ 5 ]
軽ガス銃から発射された弾丸が標的に衝突すると、加わる圧力は弾丸の質量と、衝撃力が分散される表面積（断面積）によって決まります。空気中で発射される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。したがって、密度が高く細い弾丸は、軽くて幅の広い弾丸よりも全体的に大きな圧力を加えます。断面積が一定の弾丸に着目し、研究者たちは最近、弾丸の密度を長さの関数として変化させる研究を始めました。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を持ちます。タングステン粉末からガラスマイクロ球まで、さまざまな密度の材料を薄い層で塗布することで、精密に作られた弾丸は、定圧実験や、制御された圧縮-膨張-圧縮シーケンスにも使用できます。