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A railgun or rail gun, sometimes referred to as a rail cannon, is a linear motor device, typically designed as a ranged weapon, that uses electromagnetic force to launch high-velocityprojectiles. The projectile normally does not contain explosives, instead relying on the projectile's high kinetic energy to inflict damage.[2] The railgun uses a pair of parallel rail-shaped conductors (simply called rails), along which a sliding projectile called an armature is accelerated by the electromagnetic effects of a current that flows down one rail, into the armature and then back along the other rail. It is based on principles similar to those of the homopolar motor.[3]
As of 2020, railguns have been researched as weapons using electromagnetic forces to impart a very high kinetic energy to a projectile (e.g. dart ammunition) rather than using conventional propellants. While explosive-powered military guns cannot readily achieve a muzzle velocity of more than ≈2 km/s (Mach 5.9), railguns can readily exceed 3 km/s (Mach 8.8). For a similar projectile, the range of railguns may exceed that of conventional guns. The destructive force of a projectile depends upon its kinetic energy (proportional to its mass and the square of its velocity) at the point of impact. Because of the potentially higher velocity of a railgun, its force may be much greater than conventionally launched projectiles of the same mass. The absence of explosive propellants or warheads to store and handle, as well as the low cost of projectiles compared to conventional weaponry, are also advantageous.[4]
レールガンは、最も単純な形態では、従来の電気モーター[ 5 ]とは異なり、追加の界磁巻線（または永久磁石）を使用しません。この基本的な構成は単一の電流ループで構成されているため、十分な加速度（および銃口速度）を生み出すには、大電流（100万アンペア程度）が必要です。この構成の比較的一般的なバリエーションは、駆動電流が追加の並列導体ペアを介して流され、可動アーマチュアが受ける磁場を増強（「増強」）するように配置された拡張レールガンです[ 6 ] 。これらの配置により、所定の加速度に必要な電流が低減されます。電気モーターの用語では、拡張レールガンは通常、直列巻線構成です。一部のレールガンでは、発射体にかかる力を増やすために、磁場が電流の流れに垂直な強力なネオジム磁石も使用されています[ 7 ] 。
アーマチュアは発射体と一体化している場合もあるが、電気的に絶縁された、または非導電性の別の発射体を加速するように構成することもできる。固体の金属製スライド導体はレールガンのアーマチュアとして好まれることが多いが、プラズマまたは「ハイブリッド」アーマチュアも使用できる。[ 8 ]プラズマアーマチュアは、従来の銃の推進ガス圧と同様の方法で固体の非導電性ペイロードを押し出すために使用されるイオン化ガスのアークによって形成される。ハイブリッドアーマチュアは、一対のプラズマ接点を使用して金属製アーマチュアを銃のレールに接続する。固体アーマチュアは、通常、特定の速度閾値を超えた後にハイブリッドアーマチュアに「移行」することもある。レールガンを駆動するために必要な大電流は、コンデンサ、パルス電源システム、ディスクジェネレータなどのさまざまな電源技術によって供給できる。[ 9 ]
軍事用途においては、レールガンは従来の化学推進剤を使用する銃よりもはるかに高い初速を実現できるため、一般的に注目されています。空気力学的に優れた流線型の弾丸を用いることで初速が向上し、射程距離の延長という利点が得られます。また、標的への効果という点では、終末速度の向上により、爆発弾の代わりに命中誘導機能を備えた運動エネルギー弾を使用できるようになります。そのため、一般的な軍用レールガンの設計では、初速2,000 ～3,500m /s（4,500～7,800mph 、7,200～12,600km /h）、初エネルギー5～50メガジュール （MJ）を目指しています。比較のために、50 MJ は、5 メートル トンのスクール バスが509 km/h (316 mph; 141 m/s)で走行したときの運動エネルギーに相当します。[ 10 ]シングル ループ レールガンの場合、これらのミッション要件には数百万アンペアの発射電流が必要となるため、一般的なレールガン電源は、数ミリ秒間 5 MA の発射電流を供給するように設計される可能性があります。このような発射に必要な磁場強度は通常約 10テスラ(100キロガウス) であるため、現代のレールガン設計のほとんどは実質的に空芯であり、つまり、磁束を増強するために鉄などの強磁性材料を使用していません。しかし、バレルが透磁性材料でできている場合、透磁率の増加により磁場強度が上昇します ( μ = μ 0 * μ r、ここでμは実効透磁率、μ 0は透磁率定数、μ r はバレルの相対透磁率です。 ) 電機子が「感じる」磁場は、 つまり、電場が強くなると、発射体にかかる力も大きくなる。
レールガンの速度は一般的に2段式軽ガス砲で達成可能な範囲内に収まりますが、後者は一般的に実験室での使用にのみ適していると考えられているのに対し、レールガンは軍事兵器としての開発の可能性を秘めていると評価されています。軽ガス砲である燃焼軽ガス砲は、 155 mmの試作型で70口径の砲身で 2500 m/sを達成すると予測されていました。 [ 11 ]超高速研究プロジェクトの中には、静止状態からの発射を不要にするために、発射体をレールガンに「事前注入」するものがあり、この目的のために2段式軽ガス砲と従来の火薬砲の両方が使用されています。原則として、レールガンの動力供給技術が開発され、安全でコンパクト、信頼性が高く、戦闘に耐えうる軽量ユニットを提供できれば、そのような動力供給装置とその主燃料を収容するために必要なシステム全体の体積と質量は、同等の任務量に相当する従来の推進剤と爆発性弾薬に必要な総体積と質量よりも小さくなる可能性がある。電磁カタパルトの導入により、そのような技術は成熟したと言えるだろう（ただし、レールガンは数秒ではなく数ミリ秒でほぼ同じエネルギーを供給する必要があるため、はるかに高いシステム出力が必要となる）。このような開発は、艦船の弾薬庫から爆発物を排除することで艦隊の敵の攻撃に対する脆弱性を低下させるという、さらなる軍事的利点をもたらすだろう。 [ 12 ]
レールガンの概念は、フランスの発明家アンドレ・ルイ・オクターブ・フォション＝ヴィルプレによって初めて提唱され、彼は1917年にチューダー蓄電池会社（現在のチューダー・バッテリー）の協力を得て小型の実動モデルを製作した。[ 13 ] [ 14 ]第一次世界大戦中、フランス軍需省の発明部長ジュール＝ルイ・ブレントンは、1917年に発明委員会の代表者が実動モデルの試験を目撃した後、1918年7月25日にフォション＝ヴィルプレに 30mmから50mmの電気砲の開発を依頼した。しかし、第一次世界大戦が同年11月11日に終結すると、このプロジェクトは中止された。 [ 14 ]フォション＝ヴィルプレは1919年4月1日に米国特許を出願し、1922年7月に特許番号として発行された。 1,421,435「発射体を推進するための電気装置」[ 15 ]この装置では、2本の平行なバスバーが発射体の翼で接続され、装置全体が磁場に囲まれています。バスバーと発射体に電流を流すと、発射体をバスバーに沿って推進し、飛行させる力が誘起されます。[ 16 ]
1923年、ロシアの科学者ALコロルコフは、フォション＝ヴィルプレの設計に対する批判を詳細に述べ、フォション＝ヴィルプレが自身の発明の利点について述べた主張のいくつかに反論した。コロルコフは最終的に、長距離電気砲の製造は可能ではあるものの、フォション＝ヴィルプレのレールガンの実用化は、その膨大な電力消費と、それを駆動するための相当な容量の特別な発電機が必要であることによって妨げられると結論付けた。[ 14 ] [ 17 ]
1944年、第二次世界大戦中に、ドイツ兵器局のヨアヒム・ヘンスラーは、理論的に実現可能な最初のレールガンを提案した。[ 14 ] [ 18 ] 1944年末までに、彼の電気式対空砲の理論は十分に解明され、ドイツ空軍の高射砲司令部は、砲口速度2,000 m/s (4,500 mph; 7,200 km/h; 6,600 ft/s) 、 0.5 kg (1.1 lb)の爆薬を含む砲弾を要求する仕様を発行することができた。この砲は、毎分12発を発射する6門の砲台に搭載され、既存の12.8 cm FlaK 40砲架に適合することになっていた。これは製造されることはなかった。戦後詳細が明らかになると大きな関心が集まり、より詳細な調査が行われ、1947年の報告書では理論的には実現可能だが、各砲はシカゴの半分を照らすのに十分な出力が必要であると結論付けられた。[ 16 ]
1950年、オーストラリアの物理学者で、新設されたオーストラリア国立大学の物理科学研究科の初代所長であるマーク・オリファント卿は、世界最大（500メガジュール）の単極発電機の設計と建設に着手した。[ 19 ]この装置は1962年から稼働し、後に科学実験として使用された大型レールガンの動力源として使用された。[ 20 ]
1980 年、弾道研究所(後に統合されて米国陸軍研究所となる) は、レールガンに関する理論的および実験的研究の長期プログラムを開始した。この研究は主にアバディーン試験場で実施され、初期の研究の多くはオーストラリア国立大学が行ったレールガン実験から着想を得た。[ 21 ] [ 22 ]研究のトピックには、プラズマ力学[ 23 ] 、電磁場[ 24 ] 、テレメトリー[ 25 ]、電流および熱輸送[ 26 ]が含まれていた。米国ではその後数十年にわたりレールガン技術に関する軍事研究が継続的に行われたが、資金レベルやさまざまな政府機関のニーズの大きな変化により、その方向性と焦点は劇的に変化した。1984 年、戦略防衛構想機構の設立により、研究目標は大陸間弾道ミサイルを迎撃するための衛星群の構築へとシフトした。その結果、米軍は超高速プラズマアーマチュアレールガンからの高G発射に耐えられる小型誘導弾の開発に注力した。しかし、 1985年に国防科学委員会の重要な研究が発表された後、米陸軍、海兵隊、およびDARPAは、移動式地上戦闘車両用の対装甲電磁発射技術の開発を命じられた。[ 27 ] 1990年、米陸軍はテキサス大学オースティン校と協力して先端技術研究所（IAT）を設立し、固体およびハイブリッドアーマチュア、レールとアーマチュアの相互作用、および電磁発射装置の材料に関する研究に注力した。[ 28 ]この施設は陸軍初の連邦政府資金による研究開発センターとなり、中口径発射装置など、陸軍の電磁発射装置のいくつかを収容した。[ 27 ] [ 29 ]
1993年以来、英国政府と米国政府はダンドレナン兵器試験センターでレールガンプロジェクトに協力しており、2010年の試験でBAEシステムズが3.2kg （7.1lb ）の発射体を18.4メガジュール（3,390m /s [7,600mph ; 12,200km /h; 11,100ft /s] ）で発射したことで最高潮に達した。[ 30 ] 1994年、インドのDRDOの兵器研究開発施設は、5kVの電力で動作する240kJの低インダクタンスコンデンサバンクを備えたレールガンを開発し、3～3.5gの重量の発射体を2,000m /s（4,500mph ; 7,200km /h; 6,600ft /s ）を超える速度で発射することができた。[ 31 ] 1995年、テキサス大学オースティン校の電磁気学センターは、キャノン口径電磁砲と呼ばれる速射レールガン発射装置を設計・開発した。発射装置の試作機は後に米国陸軍研究所で試験され、50パーセントを超える閉鎖効率を実証した。[ 32 ] [ 33 ]
2010年、米国海軍はBAEシステムズ設計の小型レールガンを艦載用に試験し、3.2kg （7.1ポンド）の砲弾を約3,390m /s（7,600mph 、12,200km /h、11,100ft /s）の極超音速、つまりマッハ10程度まで加速させ、運動エネルギーは18.4MJに達した。このような性能レベルに達したのはこれが初めてだった。[ 30 ] [ 34 ]同じ設計の32メガジュールの初期のレールガンは、英国のダンドレナン兵器試験センターにある。[ 35 ]
低出力で小型のレールガンは、大学やアマチュアのプロジェクトとしても人気があります。何人かのアマチュアはレールガンの研究を積極的に行っています。[ 36 ] [ 37 ]
レールガンは、2本の平行な金属レールで構成されています（そのためこの名前が付けられています）。これらのレールの一端は電源に接続され、銃の尾栓を形成します。次に、導電性の弾丸がレール間に挿入されると（例えば、尾栓に挿入すると）、回路が完成します。電子は電源の負極から負極レールを上り、弾丸を横切り、正極レールを下って電源に戻ります。[ 38 ]
この電流によってレールガンは電磁石のように動作し、アーマチュアの位置までのレールの長さによって形成されるループ内に磁場を生成します。右手の法則に従って、磁場は各導体の周囲を循環します。電流は各レールに沿って逆方向に流れているため、レール間の正味の磁場（B）は、レールとアーマチュアの中心軸によって形成される平面に対して直角になります。アーマチュア内の電流（ I ）と相まって、これはローレンツ力を生み出し、発射体をレールに沿って加速させます。発射体は常にループの外側（電源の極性に関係なく）に、電源から離れてレールの銃口側に向かって進みます。レールにもローレンツ力が作用し、レールを押し広げようとしますが、レールはしっかりと固定されているため、動くことはありません。
定義によれば、1メートル離れた2本の理想的な無限に長い平行導体に1アンペアの電流が流れる場合、それらの導体の各メートルにかかる力の大きさは正確に0.2マイクロニュートンとなる。さらに、一般に、力は電流の大きさの二乗に比例し、導体間の距離に反比例する。したがって、数キログラムの弾丸質量と数メートルの砲身を持つレールガンでは、弾丸を1000 メートル/秒程度の速度まで加速するためには、非常に大きな電流が必要となる。
100万アンペア程度の電流を供給する非常に大きな電源は、発射体に途方もない力を加え、毎秒数キロメートル（km/s）の速度まで加速させます。このような速度は可能ですが、物体の推進によって発生する熱は、レールを急速に侵食するのに十分です。高使用条件下では、現在のレールガンはレールを頻繁に交換するか、同じ効果を生み出すのに十分な熱伝導性を持つ耐熱材料を使用する必要があります。現時点では、単一のレールから数発以上の発射が可能な高出力レールガンを製造するには、材料科学および関連分野における大きなブレークスルーが必要であると一般的に認識されています。砲身は、故障や著しい劣化なしに、毎分数発、数千発の発射に耐えなければなりません。これらのパラメータは、材料科学の最先端技術をはるかに超えています。[ 39 ] [ 40 ]
電源は、有効な時間にわたって持続的かつ制御された大電流を供給できなければなりません。電源の有効性の最も重要な指標は、供給できるエネルギーです。2010年12月現在、レールガンから発射体を推進するために使用された既知の最大のエネルギーは33メガジュールです。[ 41 ]レールガンで使用される最も一般的な電源は、他の連続エネルギー源からゆっくりと充電されるコンデンサとコンパルセータです。
レールは射撃時に非常に大きな反発力に耐える必要があり、これらの力はレールを弾丸から遠ざけようとする傾向があります。レールと弾丸の間隔が広がるとアーク放電が発生し、レール表面と絶縁体表面が急速に蒸発して広範囲に損傷します。このため、初期の研究用レールガンの中には、1回の運用間隔で1発しか発射できないものもありました。
レールと電源のインダクタンスと抵抗は、レールガンの設計効率を制限する要因となる。現在、様々なレール形状とレールガン構成が試験されており、特に米国海軍（海軍研究所）、テキサス大学オースティン校先端技術研究所、BAEシステムズなどが研究を行っている。
レールと発射体は強力な導電性材料で作られなければなりません。レールは加速する発射体の激しい衝撃と、大電流と摩擦による発熱に耐えなければなりません。レールガンの反動力を方向転換または除去できると示唆した誤った研究もありますが、慎重な理論的および実験的分析により、反動力は化学兵器と同様に、尾栓閉鎖部に作用することが明らかになっています。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]また、レールは発射体と同様に、磁場によって押されることで生じる横方向の力によって反発します。レールは曲がることなくこれに耐え、非常にしっかりと固定されなければなりません。現在発表されている資料によると、レールガンがレールの交換が必要になる前に数発以上のフルパワーショットを発射できるようなレールを開発するには、材料科学の大幅な進歩が必要であると示唆されています。
現在の設計では、レールを流れる電流と、発射体が装置から飛び出す際の摩擦によって、膨大な量の熱が発生します。これは主に3つの問題を引き起こします。機器の溶融、人員の安全性の低下、そして赤外線シグネチャの増加による敵軍による探知です。前述したように、この種の装置の発射に伴う応力には、極めて耐熱性の高い材料が必要です。そうでなければ、レール、砲身、および取り付けられたすべての機器が溶融したり、修復不可能な損傷を受けたりします。
実際には、ほとんどのレールガン設計で使用されるレールは、発射のたびに侵食を受けます。さらに、発射体はある程度の摩耗を受ける可能性があり、これがレールガンの寿命を制限する可能性があり、場合によっては深刻な制限となります。[ 46 ]
レールガンには、主に軍事分野において、数多くの実用的な用途が期待されている。しかし、現在研究が進められている理論的な用途も存在する。
ロケット打ち上げのための電気力学的補助が研究されている。[ 47 ]この技術の宇宙応用には、特殊な形状の電磁コイルと超伝導磁石が用いられる可能性が高い。[ 48 ]この用途には複合材料が使用される可能性が高い。[ 49 ]
地球からの宇宙打ち上げの場合、比較的短い加速距離（数キロメートル未満）では、人間が耐えられる以上の非常に強い加速力が必要になります。他の設計としては、より長いらせん状の軌道、または宇宙船がリングを何度も周回して徐々に速度を上げ、空に向かって伸びる発射通路に放出される大きなリング設計などがあります。しかし、技術的に実現可能で費用対効果が高い場合、大気密度が最も高い海面から打ち上げられる飛翔体に超高速脱出速度を与えると、打ち上げ速度の大部分が空気抵抗によって失われる可能性があります。さらに、発射体の地球表面に対する上向きの仰角だけでは達成できない有用な軌道投入角度を実現するために、飛翔体には何らかの機上誘導および制御が必要になる可能性があります（脱出速度の実際的な考慮事項を参照）。
2003年、イアン・マクナブはこのアイデアを実用化する計画の概要を示した。[ 50 ] 加速が強いため、このシステムでは食料、水、そして最も重要な燃料などの頑丈な材料のみを打ち上げることになる。理想的な状況（赤道、山岳地帯、東向き）では、このシステムのコストは1kgあたり528ドルとなる[ 50 ]。これは従来のロケットの1kgあたり5,000ドルと比較すると低い。[ 51 ]マクナブ・レールガンは年間約2,000回の打ち上げが可能で、年間最大500トンを打ち上げることができる。打ち上げ軌道は1.6kmの 長さになるため、軌道に沿って分散配置された100台の回転機（コンパルセータ）の分散ネットワークによって電力が供給される。各機には、高速回転する3.3トンの炭素繊維製ローターが搭載される。1台の機は10MWの電力で数時間で充電できる 。この機には専用の発電機から電力が供給される。打ち上げパッケージ全体の重量は1.4 トン近くになる。このような条件下での1回の打ち上げあたりのペイロードは400kgを超えます 。[ 50 ]最大動作磁場は5Tで 、その半分はレールから、残りの半分は増強磁石から得られます。これにより、レールを流れる必要電流が半分になり、電力は4分の1に削減されます。
NASAは、レールガンを使用して「スクラムジェットを搭載したくさび形の航空機」をマッハ10の高高度まで打ち上げ、そこで従来のロケット推進を使用して小型ペイロードを軌道に投入することを提案している。 [ 52 ]レールガンによる地上からの直接宇宙打ち上げに伴う極端なGフォースは、最も頑丈なペイロードのみにその使用を制限する可能性がある。あるいは、非常に長いレールシステムを使用して、必要な打ち上げ加速度を低減することもできる。[ 50 ]
レールガンは、爆発物や推進剤を含まない発射体を使用する兵器として研究されていますが、発射体の速度は2,500 m/s (8,200 ft/s) (海面でのマッハ約7) 以上にもなります。比較のために、 M16ライフルの銃口速度は930 m/s (3,050 ft/s)、第二次世界大戦中にアメリカの戦艦に搭載された16インチ/50口径マーク7砲の銃口速度は760 m/s (2,490 ft/s)で、発射体の質量がはるかに大きいため (最大2,700ポンド)、銃口エネルギーは360 MJ、射程距離での運動エネルギーは160 MJを超えます (プロジェクトHARPも参照)。レールガンは、より小型の弾丸を極めて高速で発射することで、5インチ/54口径マーク45海軍砲（砲口で最大10MJ）の破壊エネルギーと同等かそれ以上の運動エネルギー衝撃を、より長い射程で生み出すことができる。これにより、弾薬のサイズと重量が減り、より多くの弾薬を搭載できるようになり、戦車や海軍兵器プラットフォームに爆発物や推進剤を搭載する危険性がなくなる。また、レールガンは、より空気力学的に流線型の弾丸をより高速で発射することで、より長い射程、より短い標的への到達時間、そしてより短い射程では風によるドリフトの減少を実現し、従来の銃器の物理的な限界を回避できる。「ガス膨張の限界により、実用的な従来の砲システムでは、補助なしで弾丸を約1.5 km/sを超える速度で、 50マイル（80 km）を超える射程で発射することはできない。」[ 53 ]
生産が計画されている最初の兵器化レールガンであるゼネラル・アトミックス社のブリッツァー・システムは、2010年9月に本格的なシステム試験を開始しました。この兵器は、ボーイング社のファントム・ワークスが設計した流線型の分離式サボット弾を、60,000 g nを超える加速度で1,600 m/s (5,200 ft/s) (約マッハ5)で発射します。[ 54 ]試験の1つでは、発射体は厚さ1/8インチ (3.2 mm) の鋼板を貫通した後、さらに7キロメートル (4.3マイル) 先まで飛ぶことができました。同社は、 資金調達次第で、2016年までにシステムの統合デモを行い、2019年までに生産を開始したいと考えています。今のところ、このプロジェクトは自己資金で賄われています。[ 55 ]
2013年10月、ゼネラル・アトミックス社はブリッツァー・レールガンの地上型を発表した。同社の関係者は、この砲は「2～3年」で生産準備が整う可能性があると主張した。[ 56 ]
レールガンは、地上砲撃に加えて、特に対艦巡航ミサイルなどの空中脅威を迎撃するための対空兵器としての使用が検討されている。レールガンシステムの速度、コスト、および数的優位性により、現在の多層防御アプローチにおける複数の異なるシステムを置き換えることができる可能性がある。 [ 57 ]海軍は、レールガンが大気圏内弾道ミサイル、ステルス空中脅威、超音速ミサイル、および群集する水上脅威 を迎撃できるように計画しており、迎撃任務を支援するプロトタイプシステムは2018年までに準備が整い、2025年までに運用開始される予定である。[ 58 ]
BAEシステムズはかつて、将来戦闘車両にレールガンを搭載することに関心を持っていた。[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]
インドは独自のレールガンの試験に成功した。[ 62 ]ロシア、[ 63 ]中国、[ 64 ] [ 65 ]トルコのASELSAN [ 66 ]とYeteknoloji [ 67 ]もレールガンを開発している。[ 68 ]
ドイツ、フランス、日本はレールガン兵器を共同開発する予定である。[ 69 ]
2025年12月、ドナルド・トランプ米大統領は、レールガンを搭載する可能性のある新型戦艦を発表した。 [ 70 ]
ヘリカルレールガン[ 71 ]は、レールとブラシの電流を巻数に等しい係数で低減する多回転レールガンです。2本のレールがらせん状のバレルで囲まれ、発射体または再利用可能なキャリアもらせん状になっています。発射体は、レールに沿ってスライドする2つのブラシによって連続的に励磁され、発射体上の2つ以上の追加ブラシは、発射体の前および/または後ろにあるらせん状バレルの複数の巻線を励磁および切り替える役割を果たします。ヘリカルレールガンは、レールガンとコイルガンの中間的なものです。現在、実用的で使用可能な形態では存在しません。
1980年にMITでヘリカルレールガンが開発され、当時としては大型のコンデンサ（約4ファラド）を複数搭載した装置で駆動された。全長は約3メートルで、加速コイル2メートルと減速コイル1メートルから構成されていた。このレールガンは、グライダーや発射体を約500メートルまで飛ばすことができた。
プラズマレールガンは、直線加速器でありプラズマエネルギー兵器であり、投射レールガンと同様に、2 つの長い平行電極を使用して「スライドする短い」アーマチュアを加速します。ただし、プラズマレールガンでは、アーマチュアと射出される投射物は、固体の塊ではなく、プラズマ、つまり高温でイオン化されたガス状の粒子で構成されています。MARAUDER ( Magnetically Accelerated Ring to Achieve Ultra-high Directed Energy and Radiation ) は、同軸プラズマレールガンの開発に関する米国空軍研究所のプロジェクトです(または、かつてありました) 。これは、プラズマベースの投射物を開発するための米国政府の取り組みの 1 つです。最初のコンピュータ シミュレーションは 1990 年に行われ、最初の公開された実験は 1993 年 8 月 1 日に発表されました。[ 72 ] [ 73 ]
実物大の模型が製作され、発射試験も行われており、その中には米国国防高等研究計画局（DARPA ）が開発した口径90mm （3.5インチ） 、運動エネルギー9メガジュールの砲も含まれる。レールガンが従来の兵器に取って代わるには、レールと絶縁体の摩耗問題がまだ解決される必要がある。おそらく最も古くから一貫して成功しているシステムは、英国国防研究局がスコットランドのカークカッドブライトにあるダンドレナン射場に建設したものである。このシステムは1993年に設立され、10年以上運用されている。
中国は現在、電磁発射装置の主要プレーヤーの1つであり、2012年には北京で第16回電磁発射技術国際シンポジウム（EML 2012）を開催した。[ 74 ] 2010年後半の衛星画像では、内モンゴル自治区包頭近郊の装甲砲兵射撃場で試験が行われていることが示唆された。[ 75 ]
米軍は20世紀後半を通じて電気砲技術の研究に関心を示してきた。電磁砲は従来の砲システムのように発射に推進剤を必要としないため、乗員の安全性が大幅に向上し、兵站コストが削減され、射程も長くなる。さらに、レールガンシステムは発射体の速度を高くできる可能性があり、発射体が目標に到達するまでの時間を短縮することで、対戦車、砲兵、防空における精度が向上する。1990年代初頭、米陸軍は電気砲の研究に1億5000万ドル以上を投じた。[ 76 ]テキサス大学オースティン校電気機械センターでは、9メガジュール（9 MJ）の運動エネルギーを持つタングステン徹甲弾を発射できる軍用レールガンが開発された。[ 77 ] 9メガジュールは、2kg（4.4ポンド）の発射体を3km/s（1.9マイル/秒）で飛ばすのに十分なエネルギーです。その速度では、十分に長いタングステンまたは他の高密度金属の棒は簡単に戦車を貫通し、場合によっては貫通する可能性があります（APFSDSを参照）。
米国海軍水上戦センター・ダールグレン支部は、海軍艦艇に配備される64 MJ兵器のプロトタイプとして、 3.2 kg (7.1 lb)の砲弾を発射する8 MJレールガンを2006年10月に実証した。米海軍がレールガン砲システムの導入で抱えている主な問題は、メガジュールのエネルギーを持つ砲弾を発射するために必要な数百万アンペアの電流によって発生する膨大な圧力、応力、熱のために砲が摩耗することである。3,000 MJのエネルギーを目標に与えるBGM-109トマホークのような巡航ミサイルほど強力ではないものの、このような兵器は、理論的にはミサイルの数分の1のコストで海軍がよりきめ細かな火力を提供することを可能にし、将来の防衛システムに比べて撃墜するのがはるかに困難になるだろう。参考までに、もう一つの適切な比較対象として、主力戦車に搭載されているラインメタル社製の120mm砲が挙げられる。この砲は9MJの砲口エネルギーを発生させる。
2007年、BAEシステムズは32MJ（砲口エネルギー）の試作機を米海軍に納入した。[ 78 ]同じ量のエネルギーは、 4.8kg （11ポンド）のC4の爆発によって放出される。
2008年1月31日、米海軍は、初速2,520m /s（8,270ft /s）で10.64MJの弾丸を発射するレールガンの試験を行った。[ 79 ] 電力は、2007年に納入された固体スイッチと高エネルギー密度コンデンサを使用した新しい9メガジュール試作コンデンサバンクと、1980年代後半に米陸軍グリーンファーム電気砲研究開発施設で開発され、以前にゼネラル・アトミックス電磁システム（EMS）部門によって改修された古い32MJパルス電力システムによって供給された。[ 80 ] 2020年から2025年の間に準備が整うと予想されている。[ 81 ]
2010年12月10日、アメリカ海軍は海軍水上戦センター・ダールグレン支所でレールガンの試験を実施した。[ 82 ] この試験中、海軍研究局はBAEシステムズ社製のレールガンから33MJの発射を行い、世界記録を樹立した。[ 41 ] [ 83 ]
別の試験は2012年2月に海軍水上戦センター・ダールグレン支所で行われた。前述の試験とエネルギーは似ていたが、使用されたレールガンはかなり小型で、より従来型の砲身を持っていた。ゼネラル・アトミックス社製の試作機が2012年10月に試験用に納入された。[ 84 ]
2014年、米海軍は2016年までに射程160km （100マイル）を超えるレールガンを艦艇に統合する計画を立てていた。 [ 85 ]この兵器は、より典型的な艦砲の形状をしているが、ダールグレンで開発および実証されたものと大部分が共通の部品を使用する予定だった。[ 86 ]超高速弾は重量10kg （23ポンド）、長さ18インチ（460mm ）で、マッハ7で発射される。 [ 87 ]
将来の目標は、遠距離の目標を攻撃したりミサイルを迎撃したりするために必要な、自己誘導式の発射体を開発することであった。[ 88 ]誘導弾が開発されると、海軍は各発射体のコストを約25,000ドルと見積もっているが、[ 89 ]砲用の誘導弾の開発は、初期コスト見積もりの2倍または3倍になるという歴史がある。海軍が開発した高速発射体の中には指令誘導を備えたものもあるが、指令誘導の精度は不明であり、フルパワーの射撃に耐えられるかどうかも不明である。
2014年当時、必要な性能を得るのに十分な電力を生成できる米海軍艦艇は、ズムウォルト級駆逐艦（DDG-1000シリーズ）3隻のみでした。これらの艦艇は、レールガンの動力源として必要な電力よりも大きい78メガワットの電力を生成できます。しかし、ズムウォルト級は建造が中止され、これ以上の艦艇は建造されません。技術者たちは、DDG-1000シリーズの艦艇向けに開発された技術をバッテリーシステムに応用し、他の軍艦でもレールガンを運用できるように取り組んでいます。[ 90 ] 2014年現在、ほとんどの駆逐艦は9メガワットの追加電力しか供給できませんが、発射体を目標とする最大射程まで推進するには25メガワットが必要です[ 91 ]（つまり、毎分10発の速度で32MJの発射体を発射するには）。アーレイ・バーク級駆逐艦のような艦艇がレールガンを運用するのに十分な電力でアップグレードできたとしても、追加の兵器システムを統合することで艦艇上のスペースが占有されるため、スペースを確保するために既存の兵器システムを撤去する必要が生じる可能性がある。 [ 92 ]最初の艦上試験は、スピアヘッド級遠征高速輸送艦（EPF）に搭載されたレールガンから行われる予定だったが、後に陸上試験に変更された。[ 93 ]
23 ポンドの砲弾には爆薬は搭載されていませんが、マッハ7の速度で32メガジュールのエネルギーを持ち、射程内での着弾運動エネルギーは通常、砲口エネルギーの50パーセント以下になります。海軍は、地上砲撃以外にも、防空などレールガンの他の用途を検討しました。適切な照準システムがあれば、砲弾は航空機、巡航ミサイル、さらには弾道ミサイルを迎撃できます。海軍は防空用の指向性エネルギー兵器も開発していますが、実用化には数年または数十年かかるでしょう。[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]
レールガンは、将来の攻撃および防御能力を階層的に提供する海軍艦隊の一部となるだろう。近距離防御にはレーザー、中距離攻撃および防御にはレールガン、長距離攻撃には巡航ミサイルが使用される。ただし、レールガンは、これまでミサイルが必要だった最大 100 マイル離れた目標をカバーできるようになる。[ 97 ]海軍は最終的にレールガン技術を強化し、射程200 nmi (230 mi; 370 km)で64 メガジュールのエネルギーで着弾できるようにするかもしれない。1 発の発射には 600 万アンペアの電流が必要となるため、十分なエネルギーを生成できるコンデンサと十分な強度を持つ砲の材料を開発するには長い時間がかかるだろう。[ 75 ]
一般的に、兵器級レールガンや電磁砲の最も有望な短期的な用途は、十分な予備発電能力とバッテリー収納スペースを備えた海軍艦艇への搭載であると考えられる。その代わりに、潜在的に危険な化学推進剤や爆薬の使用量を同程度に削減することで、艦艇の生存性を向上させることができる。しかしながら、地上戦闘部隊は、各砲システムのために戦場に予備電源を併設することは、後方で安全に製造され、堅牢で分散型の兵站システムを通じて事前にパッケージ化されて兵器に供給される従来の推進剤ほど、重量とスペースの効率性、生存性、または即時の発射エネルギー源として便利ではないことに気づくかもしれない。
2017年7月、Defensetechは、海軍が海軍研究局のプロトタイプレールガンを科学実験から実用的な兵器の領域へと進めたいと考えていると報じた。海軍研究局の海軍航空戦および兵器部門の責任者であるトム・ビュートナーによれば、目標は毎分10発、32メガジュールの発射である。32メガジュールのレールガンの発射は、約23,600,000フィートポンドに相当するため、32 MJの1発の発射は、約200,000発の.22弾を同時に発射した場合と同じ銃口エネルギーを持つ。[ 98 ]より一般的な電力単位では、6秒ごとに32 MJの発射は、5.3 MW（または5300 kW）の正味電力となる 。レールガンが電気エネルギーを運動エネルギーに変換する効率が20%であると仮定すると、発射が続く限り、艦の電力供給は約25 MWを供給する必要がある。
2020年現在海軍は17年間でレールガンの開発に5億ドルを費やした。海軍は既に多数存在する既存の通常砲から極超音速弾を発射することに重点を置いていた。 [ 99 ] 2021年6月1日、The Driveは米海軍の2022会計年度予算案にレールガンの研究開発費が含まれていないと報じた。[ 100 ]発射時の大きな力でわずか10～20発で砲身が摩耗することや、ミサイル防衛に役立たないほど発射速度が遅いことなど、技術的な課題を克服できなかった。レールガンの開発が始まって以来、優先順位も変わっており、海軍は比較的射程の短いレールガン弾よりも、より長距離の極超音速ミサイルに重点を置いている。[ 101 ]
レールガン技術の研究は、1980 年代を通じて弾道研究所 (BRL)の主要な研究分野であった。BRL は、他の機関 (マックスウェル研究所のCHECMATE レールガンなど) のレールガンの性能、電気力学的特性、熱力学的特性を分析することに加えて、1 メートル レールガンや 4 メートル レールガンなど、独自のレールガンを調達して研究した。[ 102 ] [ 103 ] [ 104 ] 1984 年、BRL の研究者は、発射後にボア表面に残った残留物を分析してボアの漸進的劣化の原因を調査する技術を考案した。[ 105 ] 1991 年、彼らは、効果的な発射パッケージを開発するために必要な特性と、フィン付きの長い棒状の弾丸を組み込むために必要なレールガンの設計基準を決定した。[ 106 ] [ 107 ]
レールガンの研究は、1992年に弾道研究研究所が他の6つの独立した陸軍研究所と統合されて米国陸軍研究所（ARL）が設立された後も続けられました。ARLが関与したレールガン研究の主要プロジェクトの1つは、テキサス大学電気機械センター（UT-CEM）で行われ、米国海兵隊と米国陸軍兵器研究開発工学センターが後援した大砲口径電磁砲（CCEMG）プログラムでした。[ 108 ] CCEMGプログラムの一環として、UT-CEMは1995年に速射レールガン発射機である大砲口径電磁発射機を設計および開発しました。[ 32 ] 30mmの丸口径を備えたこの発射機は、185gの発射パッケージを5発ずつ3回斉射し、銃口速度1850m /s、発射速度5Hzで発射することができました。高速発射動作は、CCEMGコンパルセータによって供給される複数の83544ピークパルスでランチャーを駆動することによって実現された。CCEMGレールガンには、セラミックサイドウォール、方向性プリロード、液体冷却などのいくつかの機能が含まれていた。[ 33 ] ARLはランチャーの性能評価を担当し、メリーランド州アバディーン試験場のARL超音速実験施設で試験が行われた。[ 109 ]
米国陸軍研究所は、テキサス大学オースティン校の先端技術研究所（IAT）における電磁砲および電気熱砲技術の開発も監視していた。IATは、ARLが技術支援を調達するために連携させた5つの大学および産業研究所の1つである。IATには、2つの電磁式発射装置、Leander OATとAugOAT、および中口径発射装置が設置されていた。この施設には、13個の1MJコンデンサバンク、各種電磁式発射装置、診断装置を含む電力システムも備えられていた。研究活動の焦点は、電磁式発射装置に必要な設計、相互作用、および材料であった。[ 110 ]
1999年、ARLとIATの協力により、磁場を乱すことなくパルス放電中のレールガンアーマチュアの温度分布を測定する放射測定法が開発されました。[ 111 ] 2001年、ARLはジャンプテストを使用して電磁砲発射弾の精度データセットを初めて取得しました。[ 112 ] 2004年、ARLの研究者は、効率的なレールガン点火装置の開発を目的として、高温プラズマの相互作用を調査する論文を発表しました。[113] 初期の論文では、ARLのプラズマ推進剤相互作用グループと、従来の固体推進剤に対するプラズマの化学的、熱的、放射線効果を理解し区別しようとする試みについて説明しています。走査型電子顕微鏡やその他の診断技術を使用して、特定の推進剤材料に対するプラズマの影響を詳細に評価しました。[ 114 ] [ 113 ] [ 115 ]
中国は独自のレールガンシステムを開発している。[ 116 ]米国の情報機関によるCNBCの報道によると、中国のレールガンシステムは2011年に初めて公開され、2014年に地上試験が開始された。2015年から2017年の間に、この兵器システムは射程距離を延長し、殺傷力を高める能力を獲得した。この兵器システムは2017年12月に中国海軍の艦艇に搭載され、その後海上試験が行われた。[ 117 ]
2018年2月初旬、中国のレールガンとされるものの写真がオンラインで公開された。写真には、その砲が072III型揚陸艦「海陽山」の艦首に搭載されている様子が写っている。報道によると、このシステムは既に、あるいは間もなく試験の準備が整うという。[ 118 ] [ 119 ] 2018年3月には、中国が電磁レールガンの海上試験を開始したことを確認したと報じられた。[ 120 ] [ 121 ]
2017年11月、インド国防研究開発機構は 12mm角口径電磁レールガンの試験に成功した。30mm バージョンの試験も計画されている。インドは 10メガジュールのコンデンサバンクを使用して1キログラムの砲弾を2,000m/s以上の速度で発射することを目指している。[ 122 ] [ 62 ]電磁砲と指向性エネルギー兵器は、インド海軍が2030年までの近代化計画で取得を目指しているシステムに含まれている。 [ 123 ]
防衛省は2015年までに、口径16mmの小型レールガンを用いた基礎研究を行いながら、国内外でレールガン関連技術の調査を開始した。[ 124 ] [ 125 ]
2016年までに、日本政府はレールガンの配備には米国との技術協力が必要であり、そのような協力には日本側の技術ノウハウが必要であると結論付けた。[ 125 ]そのため、同年、本格的な開発が始まった。[ 125 ] 2016年度から2022年度にかけて、電磁加速システムの研究が行われ、単発式40mm口径レールガンの弾丸の初速向上とレールの耐久性向上を目標とした。[ 124 ]後に発表された試験結果によると、レールガンは120回の連射で目標速度である2000m/sを超える安定した初速を示した 。また、レールガンは弾丸の発射位置付近のレールに大きな損傷が見られなかったが、これまでの研究ではレールの損傷が大きかったことが示されており、レールの損傷が軽減されたことが確認された。[ 126 ]この試験では、充電器として機能する単一の 20 フィート貨物コンテナと、 3 つの 20 フィート貨物コンテナからなる5 MJ容量のコンデンサを使用して、2 種類の弾丸(全長約 160 mm、質量約 320 g) を発射した。1 つは実際の使用に類似し、装甲貫通を念頭に置いた分離弾 (分離弾)、もう 1 つはコスト削減のために分離弾を簡略化した一体弾 (一体弾) である。この砲は全長約 6 メートル、質量は 8トンである。[ 127 ]
防衛省が2022年9月2日に発表した2021年度予備プロジェクト評価では、2022年度から2026年度にかけてレールガンの研究を行うことが発表された。[ 128 ]この研究は、「極超音速ミサイルなどの脅威に対抗するため、高発射速度で極超音速弾を発射できる将来のレールガン」を対象としている。[ 129 ]具体的には、連続発射機構、砲身外の飛行安定性、射撃制御、レールガンの損傷に関する研究が注目点として挙げられていた。[ 127 ]
2023年10月17日、調達技術兵站機構（ATLA）は公式Xアカウントで「世界で初めてレールガンの艦上発射試験に成功した」と発表し、艦船から海に向かってレールガンを発射する映像を公開した[130][131]。その後、海上自衛隊はプレスリリースで、艦上発射試験に護衛艦「あすか」が関与したことを示唆した[ 132 ] 。
レールガンを配備するには、技術的および運用上の大きな課題を克服する必要がある。
パッケージは、発射体の質量（2 kg未満）、直径（外径40 mm未満）、体積（200 cm³）の制約内に収まり、かつ重心を変化させない必要があります。また、あらゆる軸方向で少なくとも20,000 g（閾値）/40,000 g（目標値）の加速度、高電磁場（E > 5,000 V/m、B > 2 T）、および800℃を超える表面温度に耐えられる必要があります。パッケージは、砲身内または砲口出口で発生する可能性のあるプラズマの存在下でも動作可能でなければならず、大気圏外飛行のため耐放射線性も備えている必要があります。総消費電力は8ワット（閾値）/5ワット（目標値）未満でなければならず、バッテリー寿命は（最初の発射から）少なくとも5分でなければならず、これにより交戦全体を通して動作が可能になります。価格を抑えるためには、発射体1発あたりの製造コストを可能な限り低く抑える必要があり、目標は1発あたり1,000ドル未満とする。
2015年6月22日、ゼネラル・アトミックスの電磁システム部門は、搭載電子機器を備えた砲弾が、6月9日と10日にユタ州にある米陸軍ダグウェイ試験場で行われた4回の連続試験で、レールガンの発射環境全体を生き延び、意図された機能を果たしたと発表した。搭載電子機器は、精密誘導に不可欠な、数キロメートル先の砲身内加速度と砲弾のダイナミクスを正常に計測した。一体型データリンクは、砲弾が砂漠の地面に着弾した後も動作し続けた。[ 136 ]
艦船の安全性が向上し、兵站コストが削減される。
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)海軍のデータによると、この設計では指向性エネルギー兵器、核弾頭搭載の海上発射巡航ミサイル、そして潜在的には32メガジュールのレールガンなど、追加の兵器を搭載する余地も残されている。
{{cite web}}: CS1 maint: タイトルとしてアーカイブされたコピー (リンク){{cite web}}: CS1 maint: タイトルとしてアーカイブされたコピー (リンク)