レールガン

レールガンまたはレールガンは、レールキャノンとも呼ばれ、通常は兵器として設計されたリニアモーター装置で、電磁力を使用して高速の発射体を発射します。発射体には通常爆発物は含まれておらず、代わりに発射体の高い運動エネルギーを利用して損傷を与えます。^[2]レールガンは、一対の平行なレール状の導体（単にレールと呼ばれる）を使用し、それに沿って、アーマチュアと呼ばれるスライドする発射体が、一方のレールを下り、アーマチュアに入り、次にもう一方のレールに沿って戻る電流の電磁効果によって加速されます。これは、ホモポーラモーターと同様の原理に基づいています。^[3]

2020年現在、レールガンは、従来の推進剤を使用するのではなく、電磁力を利用して発射体に非常に高い運動エネルギーを与える兵器（例： APFSDS ）として研究されている。爆発力のある軍用銃は、銃口速度が2 km/s（マッハ5.9）を超えることは容易にできないが、レールガンは3 km/s（マッハ8.8）を容易に超えることができる。同様の発射体の場合、レールガンの射程は従来の銃の射程を超える可能性がある。発射体の破壊力は、着弾点での運動エネルギー（質量と速度の2乗に比例）に依存する。レールガンから発射された発射体は速度が潜在的に高いため、その力は同じ質量の従来の発射体よりもはるかに大きい可能性がある。保管や取り扱いに爆発性の推進剤や弾頭が​​ないこと、および従来の兵器に比べて発射体のコストが低いことも有利である。^[4]

レールガンは数十年にわたる研究開発を経てもまだ研究段階にあり、近い将来に実用的な軍事兵器として配備されるかどうかはまだ不明です。兵器用途の電磁 (EM) 推進システムと化学推進剤のトレードオフ分析では、耐久性、可用性、経済性、さらに電磁発射システムに必要なパルス電源の斬新さ、かさばり、高エネルギー需要、複雑さも考慮する必要があります。

レールガンは、その最も単純な形態では、追加の界磁巻線（または永久磁石）を使用しない点で従来の電気モーター^{[5]と異なります。この基本構成は単一の電流ループによって形成されるため、十分な加速（および銃口速度）を生成するには高電流（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、駆動電流が追加の平行導体のペアに流される拡張レールガンです。この導体は、可動アーマチュアが受ける磁場を増加（「増強」）するように配置されています。^[6]これらの配置により、所定の加速に必要な電流が削減されます。電気モーターの用語では、拡張レールガンは通常、直列巻き構成です。一部のレールガンは、発射体への力を高めるために、電流の流れに対して垂直な磁場を持つ 強力なネオジム磁石も使用します。

アーマチュアは発射体の不可欠な部分である場合もありますが、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ます。レールガンのアーマチュアには、固体の金属製スライド導体が好まれることが多いですが、プラズマまたは「ハイブリッド」アーマチュアも使用できます。^[7]プラズマアーマチュアは、従来の銃の推進ガス圧力と同様に、固体の非導電性ペイロードを押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ます。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、金属アーマチュアを銃のレールに接続します。固体アーマチュアは、通常、特定の速度しきい値を超えた後に、ハイブリッドアーマチュアに「移行」することもあります。レールガンに電力を供給するために必要な高電流は、コンデンサ、パルスジェネレータ、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ます。^[8]

軍事用途の可能性としては、レールガンが従来の化学推進剤を動力とする銃よりもはるかに高い銃口速度を達成できることから、通常は関心を集めています。空気力学的に流線型の発射体による銃口速度の向上は、射程距離の延長という利点をもたらす一方で、標的への影響という点では、終端速度の向上により、爆発性の砲弾の代わりに、命中してキルする誘導を組み込んだ運動エネルギー弾の使用が可能になります。したがって、一般的な軍用レールガンの設計では、銃口速度2,000～3,500 m/s（4,500～7,800 mph、7,200～12,600 km/h）の範囲、銃口エネルギー5～50メガジュール （MJ）を目指しています。比較すると、50  MJ は、時速 509 km (316 mph、141 m/s) で走行する重量 5 トンのスクールバスの運動エネルギーに相当します。 ^[9]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で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、最新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、磁束を強化するために鉄などの強磁性材料を使用していません。ただし、銃身が磁気透過性材料で作られている場合は、透磁率の増加により磁場強度が増加します ( μ = μ ₀ * μ _r、μは有効透磁率、μ ₀は透磁率定数、μ _{r は}銃身の相対透磁率、 )。アーマチュアが「感じる」フィールドは に比例する ため、フィールドが増加すると発射体にかかる力が増加します。 ${\displaystyle \mathbf {B} =\mu \mathbf {H} }$${\displaystyle \mathbf {B} }$

レールガンの速度は、一般的に二段式軽ガス銃で達成可能な速度の範囲内である。しかし、後者は一般的に実験室での使用にしか適していない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開発される可能性があると判断されている。軽ガス銃である燃焼軽ガス銃の試作機は、155 mmで70口径の砲身で2500 m/sを達成すると計画されていた。^[10]一部の超高速研究プロジェクトでは、発射体がレールガンに「事前に注入」され、始動の必要性を回避しており、二段式軽ガス銃と従来の火薬銃の両方がこの役割に使用されている。原理的には、レールガンの電力供給技術を開発して、安全でコンパクト、信頼性が高く、戦闘に耐え、軽量なユニットを提供できれば、そのような電力供給とその主要燃料を収容するために必要なシステム全体の容積と質量は、任務に匹敵する量の従来の推進剤と爆発性弾薬に必要な総容積と質量よりも小さくなる可能性がある。おそらく、そのような技術は、電磁航空機発射システム(EMALS) の導入によって成熟したと言える (ただし、レールガンは、ほぼ同様のエネルギーを数秒ではなく数ミリ秒で供給する必要があるため、はるかに高いシステム電力を必要とする)。そのような開発は、あらゆる軍事兵器プラットフォームから爆発物を排除することで敵の攻撃に対する脆弱性が減少するというさらなる軍事的利点をもたらすだろう。^[要出典]

レールガンのコンセプトは、フランスの発明家アンドレ・ルイ・オクターヴ・フォション＝ヴィルプレによって初めて提唱され、彼は1917年にソシエテ・アノニム・デ・アキュムレーター・チューダー社（現チューダー・バッテリーズ）の協力を得て小型の実用モデルを作成した。^{[11] [12]}第一次世界大戦中、フランス軍需省発明局長ジュール＝ルイ・ブレントンは、1917年に実用モデルの試験走行を発明委員会の代表者が目撃した後、1918年7月25日にフォション＝ヴィルプレに30～50mmの電気砲の開発を委託した。しかし、同年11月11日に第一次世界大戦が終結すると、プロジェクトは放棄された。 ^[12]フォション＝ヴィルプレは1919年4月1日に米国特許を申請し、1922年7月に特許番号62222-1927として発行された。 1,421,435「発射体を推進する電気装置」^[13]彼の装置では、2本の平行なバスバーが発射体の翼に接続され、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、飛行させる力が誘発されます。^[14]

1923年、ロシアの科学者ALコロリコフはフォション＝ヴィルプリーの設計に対する批判を詳しく述べ、フォション＝ヴィルプリーが発明の利点について主張したいくつかの点に反論した。コロリコフは最終的に、長距離電気銃の製造は可能ではあるものの、フォション＝ヴィルプリーのレールガンの実用化は、膨大な電力消費と、それを動かすために相当な容量の特殊な発電機が必要であるという点で妨げられている、と結論付けた。^{[12] [15]}

1944年、第二次世界大戦中に、ドイツ兵器局のヨアヒム・ヘンスラーが理論的に実現可能な最初のレールガンを提案した。^{[12] [16]} 1944年後半までに、彼の電動対空砲の理論は十分に練られ、ドイツ空軍の高射砲司令部は仕様を発行できるまでに至った。仕様では、砲口初速2,000 m/s (4,500 mph、7,200 km/h、6,600 ft/s)、砲弾1個あたりの炸薬重量0.5 kg (1.1 lb)が要求された。この砲は6門の砲台に搭載され、毎分12発の弾丸を発射することになっており、既存の12.8 cm FlaK 40砲架に取り付けられることになっていた。しかし、結局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を呼び、より詳細な研究が行われ、1947年の報告書では理論的には実現可能だが、各砲にはシカゴの半分を照らすのに十分なパワーが必要であると結論づけられた。^[14]

1950年代、オーストラリアの物理学者であり、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ったマーク・オリファント卿は、世界最大の（500メガジュール）同極発電機の設計と建設を開始しました。^[17] この機械は1962年から稼働し、後に科学実験に使用された大型レールガンに電力を供給するために使用されました。^[18]

1980年、弾道研究所（後に統合されて米陸軍研究所となる）はレールガンに関する長期にわたる理論的・実験的研究プログラムを開始した。作業は主にアバディーン性能試験場で行われ、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の実験からヒントを得たものであった。^{[19] [20]}研究テーマにはプラズマダイナミクス、^[21]電磁場、^[22]テレメトリ、^[23]電流と熱の輸送などがあった。^[24]米国におけるレールガン技術の軍事研究はその後数十年にわたって継続的に行われたが、資金レベルや様々な政府機関のニーズの大きな変化に伴い、その方向性と焦点は劇的に変化した。1984年、戦略防衛構想機構が設立されたことで、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移行した。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年に重要な国防科学委員会の研究が発表された後、米陸軍、海兵隊、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任された。^[25] 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、レールアーマチュア相互作用、電磁ランチャー材料に関する研究に注力した。^[26]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、中口径ランチャーなど陸軍の電磁ランチャーがいくつか収容された。^{[25] [27]}

1993年以来、英国と米国の両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年の試験ではBAEシステムズが3.2kg（7ポンド）の発射体を18.4メガジュール（3,390 m/s（7,600 mph、12,200 km/h、11,100 ft/s））で発射した。^{[28] [検証失敗]} 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、低インダクタンスのコンデンサバンクを備えたレールガンを開発した。このレールガンは、3～3.5gの重量の発射体を2,000m/s（4,500 mph、7,200 km/h、6,600 ft/s）以上の速度で発射することができる。^{[29] 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。この発射装置の試作品は後に米陸軍研究所で試験され、50パーセントを超える砲尾効率が実証された。^{[30] [31]}

2010年、アメリカ海軍は、3.2 kg (7ポンド) の発射体を約3,390 m/s (7,600 mph、12,200 km/h、11,100 ft/s) の極超音速まで 加速し、運動エネルギーは18.4 MJ に達する BAE システムズ設計の小型レールガンを艦載用に試験した。このようなレベルの性能が達成されたのは史上初であった。^{[28] [32] [検証失敗]}彼らはこのプロジェクトに「Velocitas Eradico」というモットーを掲げた。これはラテン語で「私、スピード、根絶」、俗語で「スピードは人を殺す」という意味である。同じ設計の以前のレールガン (32 メガジュール) は、イギリスのダンドレナン兵器試験センターにある。^[33]

低出力で小型のレールガンも大学やアマチュアのプロジェクトとして人気があり、多くのアマチュアがレールガンの研究を積極的に行っています。^{[34] [35]}

レールガンは2本の平行な金属レール（これがレールの名前の由来）で構成されている。レールの一端は電源に接続され、銃の砲尾端を形成する。次に、導電性の発射体がレールの間に挿入されると（砲尾に挿入するなど）、回路が完成する。電子は電源の負極端子から負極レールを上って発射体を横切り、正極レールを下り、電源に戻る。^[36]

この電流により、レールガンは電磁石として動作し、レールの長さからアーマチュアの位置まで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、磁場は各導体の周りを循環します。電流は各レールに沿って反対方向であるため、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向けられます。アーマチュア内の電流 ( I ) との組み合わせにより、ローレンツ力が生成され、発射体はレールに沿って加速され、常にループの外側 (電源の極性に関係なく) に出て、電源から離れて、レールの銃口端に向かいます。レールに作用してレールを押し広げようとするローレンツ力もありますが、レールはしっかりと取り付けられているため動くことはできません。

定義により、1 メートルの距離で隔てられた 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、こ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になります。さらに、一般に、力は電流の大きさの 2 乗に比例し、導体間の距離に反比例します。また、発射体の質量が数 kg、銃身の長さが数 m のレールガンの場合、発射体を 1000 m/s 程度の速度に加速するには非常に大きな電流が必要になります。

100 万アンペアの電流を供給する非常に大きな電源は、発射体に非常に大きな力を与え、毎秒数キロメートル (km/s) の速度まで加速します。このような速度は可能ですが、物体の推進力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。使用頻度の高い状況では、現在のレールガンで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、1 組のレールから数発以上のショットを発射できる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進歩が必要であることが一般的に認識されています。銃身は、故障や著しい劣化なしに、1 分間に最大数発、数千発のショットに耐える必要があります。これらのパラメータは、材料科学の最先端のレベルをはるかに超えています。^{[37] [38]}

電源装置は、長時間にわたって大電流を供給でき、制御できなければなりません。電源装置の有効性を測る最も重要な基準は、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発射するのに使用された最大のエネルギーは33メガジュールでした。^[39]レールガンで使用される最も一般的な電源装置は、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ーです。 ^{[引用が必要]}

レールは発射時に大きな反発力に耐える必要があり、この反発力によってレールは発射体から遠ざかる傾向があります。レールと発射体のクリアランスが大きくなるとアーク放電が発生し、急速に蒸発してレール表面と絶縁体表面に大きな損傷を与えます。このため、初期の研究用レールガンでは、1 回の発射がサービス間隔あたり 1 回に制限されていました。

レールと電源のインダクタンスと抵抗により、レールガン設計の効率が制限されます。現在、さまざまなレール形状とレールガン構成がテストされており、最も有名なのは米国海軍 (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、および BAE システムズです。

レールと発射体は強力な導電性材料で作られる必要がある。レールは加速する発射体の衝撃や、大電流と摩擦による加熱に耐える必要がある。レールガンの反動力は方向を変えたり除去したりできると示唆する誤った研究もあるが、慎重な理論的・実験的分析により、反動力は化学火器と同様に砲尾閉鎖部に作用することが明らかになった。^{[40] [41] [42] [43]}レールは、発射体と同様に磁場によって押される横方向の力によっても反発する。レールはこれに耐えて曲がらず、非常にしっかりと取り付けられていなければならない。現在発表されている資料は、レールの交換が必要になる前にレールガンがフルパワーで数回以上発射できるようにするには、材料科学の大きな進歩が必要であることを示唆している。

現在の設計では、レールを流れる電気と、装置から発射される弾丸の摩擦によって大量の熱が発生します。これにより、機器の溶解、人員の安全性の低下、赤外線シグネチャの増加による敵軍による検出という 3 つの主な問題が発生します。上で簡単に説明したように、この種の装置の発射に伴うストレスには、極めて耐熱性の高い素材が必要です。そうしないと、レール、バレル、および取り付けられているすべての機器が溶解するか、修復不可能な損傷を受けることになります。

実際には、ほとんどのレールガン設計で使用されているレールは、発射のたびに侵食される。さらに、発射体はある程度のアブレーション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影響を与える可能性がある。^[44]

レールガンには、主に軍事用途で、数多くの実用的な用途が考えられます。ただし、現在研究されている理論的な用途は他にもあります。

ロケット打ち上げのための電気力学的支援が研究されている。^[45]この技術の宇宙応用には、特別に形成された電磁コイルと超伝導磁石が含まれる可能性が高い。^[46] この用途には複合材料が使用される可能性が高い。 ^[47]

地球からの宇宙打ち上げでは、比較的短い加速距離（数 km 未満）でも、人間が耐えられる以上の非常に強い加速力が必要になる。他の設計としては、より長いらせん状の軌道や、宇宙船がリングを何度も周回し、徐々に速度を上げて、上空に続く打ち上げ通路に放出される大きなリングの設計などがある。しかしながら、技術的に実現可能で建設コスト効率がよい場合、大気が最も濃い海面で発射される発射体に超高速脱出速度を与えると、空気抵抗により発射速度の大部分が失われる可能性がある。さらに、発射体には、地球の表面に対する発射装置の仰角だけでは達成できない可能性のある有用な軌道挿入角度を実現するために、何らかの形の搭載誘導および制御が必要になる可能性がある（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際の技術に変える計画を概説した。^[48] 強力な加速のため、このシステムは食料、水、そして最も重要な燃料などの頑丈な物質のみを打ち上げる。理想的な状況（赤道、山、東向き）では、システムのコストは1kgあたり528ドルであるが、^[48]従来のロケットでは1kgあたり5,000ドルである。^[49]マクナブのレールガンは年間約2000回の打ち上げが可能で、年間最大500トンを打ち上げる。打ち上げトラックの長さは1.6kmなので、電力はトラックに沿って広がる100台の回転機械（コンパルセーター）の分散ネットワークによって供給される。各機械には高速で回転する3.3トンのカーボンファイバー製ローターがある。機械は10MWの電力を使用して数時間で再充電できる。この機械には専用の発電機から電力を供給できる。打ち上げパッケージ全体の重量は約1.4トンになる。このような状況では、1回の打ち上げあたりのペイロードは400kg以上になります。^[48]最大動作磁場は5Tで、その半分はレールから、残りの半分は補助磁石から発生します。これにより、レールを流れる電流が半分になり、電力が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、そこから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打ち上げることを提案している。 ^[50]レールガンを地上から直接宇宙に打ち上げると、非常に強い重力加速度が発生するため、最も頑丈なペイロードしか使用できない可能性がある。代わりに、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減らすこともできる。^[48]

レールガンは、爆発物や推進剤を含まないが、2,500 m/s (8,200 ft/s) (海面でおよそマッハ7) 以上の非常に高い速度で発射する兵器として研究されています。比較すると、 M16 ライフルの銃口速度は 930 m/s (3,050 ft/s) で、第二次世界大戦のアメリカの戦艦に装備されていた16 インチ/50 口径の Mark 7 砲の銃口速度は 760 m/s (2,490 ft/s) です。これは、発射体の質量がはるかに大きい (最大 2,700 ポンド) ため、360 MJ の銃口エネルギーと 160 MJ を超える射程距離での運動エネルギー衝撃を生み出しました ( Project HARPも参照)。レールガンは、より小型の発射体を超高速で発射することで、5インチ/54口径のマーク45海軍砲（銃口で最大10MJに達する）の破壊力と同等かそれ以上の運動エネルギー衝撃を、より長い射程でもたらすことができる。これにより、弾薬のサイズと重量が減り、より多くの弾薬を運ぶことができ、戦車や海軍兵器プラットフォームに爆発物や推進剤を運ぶ危険性がなくなる。また、より空気力学的に流線型の発射体を高速で発射することで、レールガンはより長い射程、より短い目標到達時間、より短い射程での風による偏流の減少を達成し、従来の火器の物理的限界を回避できる。「ガス膨張の限界により、実用的な従来の砲システムから、約1.5 km/sを超える速度と50マイル[80 km]を超える射程で、補助なしの発射体を発射することは禁止されている。」^[51]

現在のレールガン技術では長く重い砲身が必要であるが、レールガンの弾道は同等の砲身長を持つ従来の大砲をはるかに上回る。レールガンはまた、発射体内の爆発電荷を爆発させて広範囲に小さな発射体の群れを放出することで、範囲攻撃を行うこともできる。^{[52] [53]}

レールガンの発射体の誘導、レールの耐久性、戦闘時の生存性、電力供給の信頼性などの問題を含む、実戦可能なレールガンが直面している多くの技術的課題が克服されると仮定すると、レールガンの発射速度の向上は、さまざまな攻撃および防御シナリオで従来の銃よりも有利になる可能性があります。レールガンは、地上および空中の標的の両方に対して使用できる可能性が限られています。

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月に完全なシステムテストを開始しました。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廃棄式サボ弾を、1,600 m/s (5,200 ft/s) (マッハ約5) の速度で、60,000 g _/nを超える加速度で発射します。^[54]テストの1つでは、発射体は1 ⁄ 8インチ (3.2 mm) の厚さの鋼板を貫通した後、さらに7 km (4.3 mi) 射程距離を進むことができました。同社は、資金が確保できれば、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することを望んでいます。これまでのところ、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、ジェネラル・アトミックスはブリッツァーレールガンの陸上バージョンを発表した。同社の関係者は、この銃は「2～3年」で生産可能になる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、空中の脅威、特に対艦巡航ミサイル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。超音速の海面すれすれを飛ぶ対艦ミサイルは、軍艦から 20 マイル離れた地平線上に現れる可能性があり、船がそれを迎撃するための反応時間は非常に短い。従来の防衛システムは、たとえ十分に速く反応したとしても、高価であり、限られた数の大型迎撃ミサイルしか搭載できない。レールガンの弾丸は、ミサイルよりも音速の数倍速く到達できるため、巡航ミサイルなどの標的を、船からより速く、より遠くから攻撃できる。また、弾丸は通常、はるかに安価で小型であるため、より多く搭載できる (誘導システムがなく、レールガンからの運動エネルギーに依存しており、自らエネルギーを供給することはない)。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、現在の階層化防衛アプローチにおいて、いくつかの異なるシステムをレールガンで置き換えることができる可能性がある。^[57]軌道変更能力のないレールガン弾は、最大30海里（35マイル、56キロメートル）の高速移動ミサイルを撃墜することができる。^[58]ファランクスCIWSの場合と同様に、誘導されていないレールガン弾は、機動する超音速対艦ミサイルを撃墜するために複数/多数の発射を必要とし、ミサイルが近づくほど命中確率は劇的に向上する。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、群がる水上脅威を迎撃できるように計画している。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年までに運用可能になる予定である。この時間枠は、この兵器が海軍の次世代水上戦闘艦に搭載される予定であることを示唆しており、2028年までに建造が開始される予定である。^[59]

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興味を持っていた。^{[60] [61] [62]}

インドは独自のレールガンの試験に成功している。^[63] ロシア、^[64] 中国、^{[65] [66]} トルコのASELSAN  ^[67]とYeteknoloji ^[68]もレールガンを開発している。^[69]

ドイツ、フランス、日本はレールガン兵器を共同で開発する。^[70]

ヘリカルレールガン^[71]は、レールとブラシの電流を回転数に等しい係数で減らす多回転レールガンです。2本のレールはらせん状のバレルに囲まれており、発射体または再利用可能なキャリアもらせん状です。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継続的に通電され、発射体の2つ以上の追加のブラシは、発射体の前または後ろのらせん状のバレル方向の複数の巻き線に通電して交換す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です。現在、実用的で使用可能な形では存在しません。

1980 年にMITで螺旋状のレールガンが製造され、当時としては大型のコンデンサ (約 4ファラッド) の複数のバンクで電力が供給されていました。長さは約 3 メートルで、2 メートルの加速コイルと 1 メートルの減速コイルで構成されていました。グライダーまたは発射体を約 500 メートル発射することができました。

プラズマレールガンは線形加速器とプラズマ エネルギー兵器であり、発射体レールガンと同様に、2つの長く平行な電極を使用して「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、アーマチュアと発射された発射体は、固体のスラグではなく、プラズマ、つまり高温のイオン化されたガス状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した。これは、プラズマベースの発射体を開発するための米国政府のいくつかの取り組みの1つです。最初のコンピューター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日に登場しました。^{[72] [73]} 1993年の時点で、プロジェクトは初期の実験段階にあるようでした。この兵器は、標的に当たると壊滅的な効果で爆発するドーナツ型のプラズマリングと稲妻のボールを生成することができました。^[74]プロジェクトは当初の成功により機密扱いとなり、1993年以降はMARAUDERに関する言及はほとんど見られなくなった。^[要出典]

実物大の模型が作られ、発射されたが、その中には米国国防高等研究計画局が開発した口径90 mm (3.5インチ)、出力9メガジュールの運動エネルギー砲も含まれている。レールガンが従来の兵器に取って代わる前に、レールと絶縁体の摩耗の問題が解決される必要がある。おそらく最も古く、一貫して成功を収めているシステムは、スコットランドのカークブライトにあるダンドレナン射撃場に英国防衛研究局が構築したものである。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国の一つであり、2012年には北京で第16回国際電磁発射技術シンポジウム（EML 2012）を開催した。^{[75 ] 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テストが行​​われていることが示唆されている。^[76]

アメリカ軍は20世紀後半を通じて電気銃技術の研究に関心を示してきた。電磁銃は従来の銃システムのように発射するの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、兵站費が削減され、射程距離も長くなるからである。さらに、レールガンシステムは発射体の速度を上げる可能性があることが示されており、発射体が目標地点に到達するまでの時間が短縮されるため、対戦車、砲兵、防空の精度が向上する。1990年代初頭、アメリカ陸軍は電気銃の研究に1億5000万ドル以上を費やした。^[77]テキサス大学オースティン校電気機械センターでは、運動エネルギーが9メガジュール（9MJ）のタングステン 徹甲 弾を発射できる軍用レールガンが開発されている。^[78] 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）で発射するのに十分なエネルギーであり、この速度であれば、十分に長いタングステン棒や他の高密度金属は容易に戦車を貫通し、通過する可能性もあります（APFSDSを参照）。

アメリカ海軍水上戦闘センターのダルグレン部門は、海軍の軍艦に配備される64MJ兵器のプロトタイプとして、3.2kg（7.1ポンド）の発射体を発射する8MJレールガンを2006年10月に実演した。アメリカ海軍がレールガン砲システムの実装で抱えていた主な問題は、メガジュールのエネルギーを持つ発射体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してしまうことである。標的に3,000MJのエネルギーを供給するBGM-109トマホークなどの巡航ミサイルほど強力ではないものの、理論上はこのような兵器により、海軍はミサイルの数分の1のコストでよりきめ細かな火力を供給でき、将来の防衛システムと比べて撃墜するのがはるかに困難になるだろう。背景として、もう一つの関連する比較は、主力戦車に使用されている ラインメタル 120mm 砲で、これは 9 MJ の砲口エネルギーを生成します。

2007年、BAEシステムズは32MJ（銃口エネルギー）のプロトタイプを米海軍に納入した。^[79] 4.8kg（11ポンド）のC4の爆発によって同じ量のエネルギーが放出される。

2008年1月31日、米海軍は10.64MJの弾頭を2,520m/s（8,270フィート/秒）の銃口速度で発射するレールガンを試験した。^[80] 電力は、2007年に納入されたソリッドステート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メガジュールのプロトタイプコンデンサバンクと、1980年代後半に開発された米陸軍のグリーンファーム電気銃研究開発施設の古い32MJパルス電力システムによって供給され、以前はゼネラルアトミックスの電磁システム（EMS）部門によって改修されていました。^[81] 2020年から2025年の間に準備が整う予定です。 ^[82]

レールガンの試験は2010年12月10日にアメリカ海軍によって海軍水上戦闘センターダルグレン支部で行われた。^[83] 試験中、海軍研究局はBAEシステムズ社が製造したレールガンから33MJの射撃を行い、世界記録を樹立した。^{[39] [84]}

2012年2月には海軍水上戦闘センターのダルグレン支部で別のテストが行​​われた。前述のテストとエネルギーは似ているが、使用されたレールガンはよりコンパクトで、砲身も従来型に似ていた。ジェネラル・アトミックス社製の試作機が2012年10月にテスト用に納品された。^[85]

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2014年、米海軍は2016年までに射程距離160km（100マイル）を超えるレールガンを艦船に搭載する計画を立てていた。^[86]この兵器は、海軍砲に典型的なフォームファクターを持ちながら、ダールグレンで開発・実証されたものとほぼ同じ部品を使用する予定だった。^{[87]超高速弾の重量は10kg（23ポンド）、直径は18インチ（460mm）で、}マッハ7で発射される。 ^[88]

将来の目標は、自己誘導型の発射体を開発することだった。これは、遠距離の標的を攻撃したりミサイルを迎撃したりするために必要な要件である。^[89]海軍は、誘導弾が開発されると、1発あたりのコストが約25,000ドルになると予測しているが、^[90]銃用の誘導弾の開発は、当初のコスト見積もりが2倍または3倍になったことがある。海軍が開発した一部の高速弾はコマンド誘導を備えているが、コマンド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年時点で、望ましい性能を得るのに十分な電力を生成できる米海軍の艦艇は、ズムウォルト級 駆逐艦（DDG-1000シリーズ）の3隻のみであった。これらの艦艇は78メガワットの電力を生成でき、レールガンを動かすのに必要な電力を上回る。しかし、ズムウォルトはキャンセルされ、これ以上の艦艇は建造されない。技術者らは、DDG-1000シリーズの艦艇用に開発された技術をバッテリーシステムに応用し、他の艦艇でもレールガンを運用できるように取り組んでいる。^[91] 2014年時点で、ほとんどの駆逐艦は9メガワットの追加電力しか確保できないが、発射体を望ましい最大射程距離まで推進するには25メガワットが必要である^[92]（つまり、32MJの発射体を1分間に10発の速度で発射する）アーレイ・バーク級 駆逐艦などの艦艇がレールガンを運用するのに十分な電力を供給できるようにアップグレードできたとしても、追加の兵器システムの統合によって艦艇上で占められるスペースのために、既存の兵器システムを撤去してスペースを確保しなければならない可能性がある。^{[93]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によるものだったが、後に陸上試験に変更された。^[94]

23ポンドの砲弾には爆発物はないが、マッハ7の速度で32メガジュールのエネルギーを発生する。しかし、射程距離中の衝撃運動エネルギーは、通常、砲口エネルギーの50%以下となる。海軍は、地上爆撃のほか、防空などレールガンの用途を検討した。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る。海軍は防空用の指向性エネルギー兵器も開発しているが、効果を発揮するには数年から数十年かかるだろう。^{[95] [96] [97]}

レールガンは、将来的に攻撃と防御の能力が層状に提供されることを想定している海軍艦隊の一部となる。レーザーは近距離防御を提供し、レールガンは中距離攻撃と防御を提供し、巡航ミサイルは長距離攻撃を提供する。ただし、レールガンはこれまでミサイルが必要だった100マイル離れた目標もカバーする。^[98]海軍は最終的にレールガン技術を強化し、200海里（230マイル、370km）の範囲で発射し、64メガジュールのエネルギーで衝撃を与えることができるようになるかもしれない。1回の発射には600万アンペアの電流が必要になるため、十分なエネルギーと十分な強度を持つ銃の材料を生成できるコンデンサーの開発には長い時間がかかるだろう。^[76]

兵器用レールガンや電磁砲の最も有望な短期的用途は、一般的に、十分な予備発電能力とバッテリー貯蔵スペースを備えた海軍艦艇に搭載されることだろう。その代わりに、潜在的に危険な化学推進剤や爆発物の使用量を同程度削減することで、艦艇の生存性を高めることができる。しかし、地上戦闘部隊は、戦場に各砲システム用の追加の電源を配置することは、従来の推進剤ほど重量とスペースの効率が良くなく、生存性も高くなく、即時発射エネルギー源として便利ではないことに気付くかもしれない。従来の推進剤は、戦線の後方で安全に製造され、堅牢で分散した物流システムを通じて、事前にパッケージ化されて兵器に届けられる。

2017年7月、Defensetechは、海軍がONRのレールガンプロトタイプを科学実験から実用的な兵器の領域に押し上げたいと考えていると報じた。ONRの海軍航空戦および兵器の責任者であるトム・ビュートナーによると、目標は32メガジュールで毎分10発だった。32メガジュールのレールガン1発は約23,600,000フィートポンドに相当するため、32MJの1発の銃口エネルギーは、約200,000発の.22口径弾を同時に発射した場合と同じになる。^[99]より一般的な電力ユニットでは、6秒ごとに32MJの射撃は、正味5.3MW（または5300kW）の電力である。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、艦船の電源は約25MWを供給する必要がある。

2020年の時点で^{[アップデート]}、海軍は17年間でレールガンの開発に5億ドルを費やしていた。海軍は、すで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。 ^[100] 2021年6月1日、The Driveは、米海軍の2022年度予算案にはレールガンの研究開発のための資金が含まれていないと報じた。^[101]発射時の巨大な力により、わずか1、2ダースの射撃で砲身が摩耗したり、発射速度が低すぎてミサイル防衛に役立たないなど、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から優先順位も変わっており、海軍は比較的短距離のレールガン弾よりも長距離の極超音速ミサイルに重点を置いていた。^[102]

レールガン技術の研究は、1980年代を通じて弾道研究所（BRL）の主要な焦点であった。他の機関（マ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と電気力学的および熱力学的特性を分析することに加えて、BRLは研究のために1メートルレールガンや4メートルレールガンなどの独自のレールガンを調達した。^{[103] [104] [105]} 1984年、BRLの研究者は、銃身の進行性劣化の原因を調査するために、発砲後に銃身表面に残る残留物を分析する技術を考案した。^[106] 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発射体を組み込むレールガンに必要な設計基準を決定した。^{[107] [108]}

レールガンの研究は、1992年に弾道研究所が他の6つの独立した陸軍研究所と統合されて米陸軍研究所（ARL）が設立された後も続けられた。ARLが関わったレールガン研究の主要プロジェクトの一つは、テキサス大学電気機械センター（UT-CEM）で行われ、米海兵隊と米陸軍兵器研究開発工学センターが後援したキャノン口径電磁砲（CCEMG）プログラムであった。^[109] 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装置のキャノン口径電磁ランチャーを設計・開発した。^[30] 30mmの砲身を備えたこのランチャーは、185gの発射パッケージを5発一斉射撃3回、銃口初速1850m/s、発射速度5Hzで発射することができた。 CCEMGコンパルセーターから供給される83544のピークパルスを発射装置に複数回送り込むことで、速射操作が実現しました。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、液体冷却などの機能が搭載されていました。^{[31] ARLは}、メリーランド州アバディーン試験場のARL遷音速実験施設でテストされた発射装置の性能評価を担当しました。^[110]

アメリカ陸軍研究所は、テキサス大学オースティン校先端技術研究所（IAT）における電磁および電熱砲の技術開発も監視していた。同研究所は、ARLが技術支援を得るために連携した5つの大学および産業界の研究所の1つである。同研究所には、2台の電磁発射装置、リアンダーOATとオーグOAT、および中口径発射装置が収容されていた。同施設はまた、13個の1MJコンデンサバンク、各種の電磁発射装置および診断装置を含む電力システムも提供していた。研究活動の焦点は、電磁発射装置に必要な設計、相互作用、および材料にあった。^[111]

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。^[112] 2001年、ARLはジャンプテストを使用して電磁銃発射弾の精度データを初めて取得しました。^[113] 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べた論文を発表しました。^[114]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、および放射線的影響を理解し、区別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、彼らは特定の推進剤に対するプラズマの影響を詳細に評価しました。^{[115] [114] [116]}

中国は独自のレールガンシステムを開発している。^[117] CNBCの米国情報機関の報道によると、中国のレールガンシステムは2011年に初めて公開され、地上試験は2014年に開始された。2015年から2017年の間に、この兵器システムはより長い射程距離とより高い殺傷力を獲得した。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。^[118]

2018年2月初旬、中国のレールガンとされるものの写真がネット上で公開された。写真では、この砲は072III型揚陸艦 「海洋山」の艦首に搭載されている。メディアは、このシステムはすでに試験の準備が整っているか、まもなく試験の準備が整うと報じている。^{[119] [120]} 2018年3月、中国が海上で電磁レールガンの試験を開始したことを確認したと報じられた。^{[121] [122]}

2017年11月、インドの防衛研究開発機構は、口径12mmの電磁レールガンの試験に成功した。30mm版の試験も実施される予定である。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キログラムの発射体を2,000メートル/秒以上の速度で発射することを目指している。^{[123] [63]}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することを目指しているシステムの一部である。 ^[124]

防衛省は2015年までに国内外でレールガン関連技術の調査を開始し、口径16mmの小口径レールガンを用いた基礎研究も進めた。^{[125] [126]}

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、そのためには日本側の技術的ノウハウが必要であると判断した^[126]。そのため、同年から本格的な開発が始まった。^[126] 2016年度から2022年度にかけては電磁加速システムの研究が行われ、単発式40mm口径レールガンにおいて弾頭初速度の向上とレールの耐久性向上を目標に設定された。 ^[125]後に発表された試験結果では、レールガンは120発の連射中、目標速度である2000m/s以上の初速度を安定して維持したことが示された。また、これまでの研究では弾頭発射位置付近のレールに大きな侵食が見られたのに対し、レールガンでは大きな損傷は見られず、レールの損傷が軽減されたことが確認されている。^[127]この試験では、充電器として機能する20フィート貨物コンテナ1個と、 20フィート貨物コンテナ3個からなる5MJ容量のコンデンサを使用して、2種類の砲弾（全長約160mm、質量約320g）を発射した。砲弾は分離弾（実戦に近い装甲貫通を念頭に 置いたもの）と一体弾（コスト削減のため分離弾を簡略化したもの）の2種類である。砲の長さは約6メートル、質量は8トンである。^[128]

防衛省が2022年9月2日に公表した2021年度事業評価では、レールガンに関する研究を2022年度から2026年度にかけて実施することが発表された。^{[129]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。^[130]具体的には、レールガンの連続発射機構、砲身外飛行安定性、射撃管制、損傷に関する研究が関心事項として挙げられていた。^[128]

2023年10月17日、防衛装備庁（ALTA）は公式Xアカウントで「レールガンの艦上発射試験を世界で初めて達成した」と発表した（原文ママ）^[131]。動画では、レールガンが艦艇から海上に弾丸を発射する様子が映されている。^[132]海上自衛隊の自衛艦隊はその後、プレスリリースで飛鳥が艦上発射試験に参加していたことを示唆した。 ^[133]

レールガンを配備する前に、大きな技術的および運用上のハードルを克服する必要があります。

1. レールガンの耐久性:現在までに、レールガンの公開デモンストレーションでは、同じレールからフルパワーの弾丸を複数発発射する能力は示されていない。しかし、米国海軍は、同じレールから数百発の弾丸を発射したと主張している。2014年3月、下院軍事委員会の情報、新興脅威、能力小委員会への声明で、海軍研究部長のマシュー・クランダー提督は、「砲身の寿命は数十発から400発以上に延び、1000発を達成する計画がある」と述べた。^[87] しかし、海軍研究局 (ONR) は、400発がフルパワーの弾丸であることを確認していない。さらに、レールガンの弾丸を正確かつ安全に発射するために必要な厳格な運用パラメータの範囲内で、フルパワーの弾丸を数百発発射できる高メガジュールクラスのレールガンが存在することを示す発表はない。レールガンは、数万Gの発射加速度、極度の圧力、メガアンペアの電流に耐えながら、レール寿命が約3000発で毎分6発の発射が可能になるはずだが、これは現在の技術では実現不可能である。^{[134] [135]}
2. 発射体誘導:レールガン兵器を実際に配備するために重要な将来の能力は、レールガンが遠くの標的に発射したり、飛来するミサイルを撃ったりできるようにする堅牢な誘導パッケージを開発することです。このようなパッケージの開発は大きな課題です。このようなパッケージの開発に関する米国海軍のRFP Navy SBIR 2012.1 – Topic N121-102 ^{[136] は、}レールガンの発射体誘導がいかに難しいかをよく示しています。

パッケージは、発射体の質量 (< 2 kg)、直径 (外径 < 40 mm)、および体積 (200 cm ³ ) の制約内に収まり、重心を変更せずに収まる必要があります。また、すべての軸で少なくとも 20,000 g (しきい値) / 40,000 g (目標) の加速度、高電磁場 (E > 5,000 V/m、B > 2 T)、および 800 度 C を超える表面温度に耐えることができなければなりません。パッケージは、銃身内または銃口出口に形成される可能性のあるプラズマの存在下で動作でき、大気圏外飛行のために放射線耐性も備えている必要があります。総消費電力は 8 ワット (しきい値) / 5 ワット (目標) 未満で、交戦中ずっと動作できるようにするには、バッテリー寿命が少なくとも 5 分 (最初の発射から) である必要があります。手頃な価格にするためには、発射体 1 個あたりの生産コストを可能な限り低く抑える必要があり、目標は 1 個あたり 1,000 ドル未満です。

2015年6月22日、ジェネラル・アトミックス社の電磁システム部門は、搭載電子機器を搭載した弾丸がレールガン発射環境を耐え抜き、6月9日と10日にユタ州ダグウェイ試験場で行われた4回連続の試験で意図された機能を発揮したと発表した。搭載電子機器は、数キロメートル先の砲身内加速度と弾丸の動きを正常に測定し、弾丸が砂漠の地面に衝突した後も一体型データリンクは動作し続け、精密誘導に不可欠であった。^[137]

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