レールガン（Railgun、電磁投射砲（でんじとうしゃほう）、EML（ElectroMagnetic Launcher））とは、物体を電磁誘導により加速して撃ち出す装置である。
原理的には古くから知られている事もあり、サイエンス・フィクション関連やゲーム等の作品に幅広く登場しているが、それらの作品では主に兵器として扱われている事が多い（→レールガンの登場するサイエンスフィクション一覧）。電磁加速砲（でんじかそくほう）とも呼ばれる。
なお、レールガンのレールは鉄道の軌道のレール（車輪を支えるための軌道）と異なる。また列車砲とも全く関係が無い。
目次 |
概要
この装置は、電位差のある二本の伝導体製のレールの間に、電流を通す伝導体を弾体としてはさみ、この弾体上の電流とレールの電流に発生する磁場の相互作用によって、弾体を加速して発射する物である。この際、電気抵抗により蒸発・プラズマ化してしまう事もある。プラズマであっても伝導体として機能しローレンツ力が働く。現在は実験段階であるため、弾体自身は電流を全く通さない樹脂などの非伝導体で作り、弾体後部に導体を貼り付ける様式が一般的となっている。
構造
レールガンの原理的な基本構造は、2本のレールと電源からなる。これに伝導体製の弾丸を挟み込んで直流の電力を入力して還流させて電気回路を形成する。この場合、弾体には電流が流れる必要性から砲身であるレール電極に物理的に接触している必要性があるが、電流さえ流れれば伝導体はプラズマでもかまわない。なおプラズマが弾体を押すためには、流体としての性質があるプラズマが弾体を追い越さないための密封性を必要とし、このためレール間の隙間を弾体の通り道を残して塞いである（砲身として筒状をしている）が、このレールの隙間をふさいである構造物は非伝導体（絶縁体）である。
弾体を砲身であるレールの間のみで加速するためには、相応の電流を必要とするが、この電力供給が必要に見合えば、その形式は問われない。ただし化学電池程度では、レールガンを動作させるのに見合うだけの電力を短時間で供給することには見合わず、それらで発生させた電力をキャパシターなど起電力の大きい電源に蓄えるなど工夫を必要とする。
以上がレールガンの構造における基本形態だが、実際に開発・利用されているレールガンでは、プラズマ化に伴う膨張力（→圧力）や熱などに耐えられなければならず、またプラズマ化に伴う膨張圧も弾体の加速に利用する場合は、尾栓に相当する部品を必要とし、これは非伝導体である必要がある。なお、単純にプラズマ膨張圧のみを弾体加速に用いる形式は、サーマルガンと呼ばれる別形態の装置である。
利点と実現性
ローレンツ力だけを考えれば、レールガンが打ち出す弾体の最大速度は、相対論的制約で光速度が上限となる。発射速度は入力した電流の量に正比例するため、任意の発射速度を得るために、任意の電流を入力してやればよいだけである。
速度表皮効果（後述）によって投入エネルギーの多くがジュール熱として奪われ、不必要なプラズマの発生によるエネルギー・ロスが発生するために、ある程度以上の高速度運動では入力エネルギーに対する加速の効果に上限が生じる。 また、速度表皮効果による上限以前に、短時間に大電流を供給する電源が必要である他、加速する距離やレールの摩擦・電気抵抗・耐熱限界などの物理的・技術的制約がある。
しかしながら、火薬を使用する火器では、燃焼による化学エネルギーの多くが熱の形で失われ、弾体の投射エネルギーに使われるのは少しであり、また弾体の発射速度は発生・過熱膨張されるガスの膨張速度を超えられず、最新の爆薬を使ってもせいぜい2～3km/s程度であるのと比べれば、現在ある技術や材料で作られた実験段階のレールガンでも充分な電流さえ入力されれば遥かに大きい発射速度が実現できている。
速度表皮効果
電流が変化する場合には、同時に誘導された磁力も変化する。この磁力の変化がはじめの電流の変化を打ち消す方向に働く。これが自己インダクタンスと呼ばれる抵抗である。普通は電気回路は空間に対して固定されていたり、移動する場合でもそれほど高速ではないが、レールガンでは投射体の高速移動によって電流路とそれを取り巻く磁界が高速で空間を移動する。
一度発生した磁界はその中心に電流路を保持しようと働くため、移動する投射体に対しては電流路を後方に限定し、レール上の電流路は砲の先の抵抗値が上昇する。これは交流電流による表皮効果と同じように働き、移動が充分に高速であれば、まず過大な抵抗によるジュール熱によって伝導体の後端から溶解をはじめ、さらに高速であればプラズマ化してしまい、通常の砲のように密閉されていなければ、新たな電流路となったプラズマはローレンツ力と速度表皮効果の両方を受けて複雑な挙動をしながら、結局加速に関与しないで散逸する。
この効果によって、ある実験ではいくら電流を増やしても7km/sで頭打ちになった。400m/sでの銅レールの「表皮厚」は1mmであった。
速度表皮効果をコントロ－ルする技術が開発されれば、レールガンの高性能化は容易であると考えられている[1]。
初速に関して
1960年代には、550メガジュールを入力した長さ5mのレールガンで、オーストラリア国立大学に所属するリチャード・マーシャルらのグループが3gの弾丸を5.9km/s ( = 5,900m/s) で射出する事に成功した。なお21世紀初頭では、最大速度8km/s程度の物が開発されている。また、参考までに火薬を使う火器の弾丸の初速に関して述べると、拳銃では300 - 700m/s、ライフル銃では800 - 1,000m/s程度、戦車砲では120mm/L52の仏GIAT製滑腔砲にAPFSDSであるOFL120F1タングステン徹甲弾では1,790m/sである。又火薬と水素を使った2段軽ガス銃では6 - 7km/sである。
混同され易い他の投射方式
- リニアモーター
- 電磁誘導によって物体を加速する装置。電磁石そのものを弾体の推進装置とする。
- コイルガン
- コイル（ソレノイド）の中を弾が通過させる方法を利用したもの。構造上の問題からレールガンの様な高初速が得がたいという欠点と、消費電力が低いという利点がある。
- サーマルガン
- 電磁誘導ではなく入力された電流のジュール熱にて弾体後方の導体をプラズマへ相変化させ、これに伴う急激な体積の増加を利用するもの。瞬間的なプラズマ化に伴う爆発を利用するため、比較的低いエネルギー量でも一定速度未満であれば高い初速が得易い代わりに、プラズマ膨張速度を超えた初速を得ることはできない。
想定される用途
現在、レールガンは様々な分野での利用を期待されている。比較的知られている分野では以下が挙げられる。
この他、入力する電流の量により、発射速度を自由にコントロールできる事から、タイミングを計りやすい事もあり、レーザー核融合炉への燃料ペレット投入に対する利用が期待されている。
兵器としての実用化
アメリカ海軍はズムウォルト級ミサイル駆逐艦で採用が決定したAGS（Advanced Gun System）と呼ばれるロケットアシスト砲の次の段階として、レールガンの技術開発に着手していることが2007年の米ネイビーリーグ（技術展示会）より見出され[2]、米国海軍研究局（Office of Naval Research、ONR） でもこの事実は確認された[3] 。
AGSでは62口径155mm砲が2門が同艦に搭載されるが、この他にもズムウォルト級駆逐艦の特色として統合電力システム（IPS）を採用しており、大型ガスタービンエンジンで電力を発電、これを船の電気系統はなおのこと推進器などの動力として使う計画であるが、これを更に進めてレールガンにもこの電力を供給し発射しようという計画である。同艦では2基のガスタービン発電機により、最大80メガワットの電力を発生させる。この電力は全速航行時には70MWまでもが推進に使われるが、常時最大船速を出す訳ではないので、速度を落としている際に余る電力が利用されると考えられており、15～30MW程度をレールガン発射に回せれば、毎分6～12発の連続射撃が可能だという。
計画では揚陸作戦支援に重量15kgの砲弾を初速2.5km/sで発射、高度152kmまで打ち上げて370km以上先の攻撃目標に終速1.7km/s（マッハ5）で着弾させる、このためには砲口での砲弾運動エネルギーは64MJ（メガジュール・入力する電力ではなく、砲弾のもつ運動エネルギーである）を必要としている。
同計画では2020～2025年頃を目処に実用機を艦船に搭載することを目標とし、BAEシステムズ社とジェネラル・アトミックス社は32MJ砲の試作に入っており、2006年10月の時点で口径90mm・2.4kg砲弾を砲口での砲弾運動エネルギー800キロジュール（0.8MJ・初速830m/s）で発射に成功、2007年1月には3.2kg砲弾で初速2146m/s 砲弾運動エネルギー7.4MJを、2008年1月の試射では3.35kg砲弾を初速2520m/s 砲弾運動エネルギー10.64MJでを記録している。[4][5]2016年には洋上試験を予定中とのこと。
歴史
発射速度は入力された電流に正比例する事は先に述べた通りだが、原理自体は古くから知られており、1844年にはこれに基づいた兵器利用の実用化構想もあった程で、世界各国の軍部が事ある毎に研究してきた歴史があり、第一次/第二次世界大戦当時にもドイツや日本でも兵器化への研究が行われていた。しかし弾体が砲身に接触している事から生じる摩擦の問題を解決できなかったり、実際に発射できるだけの電流を生み出す電源が無いといった理由から、この当時の技術ではこの問題を解消できずに研究は放棄され、実用化に到らなかった（高射砲一門だけのために、専用発電所が二つ必要という試算さえあった）。
1960年代に、前出のリチャード・マーシャルらのグループがホモポール発電機の発生させる電流を用いて、従来火器よりも遥かに速い速度で弾丸を射出する事に成功、次第にその威力が現実的な物として考えられるようになり、1980年代にはアメリカ合衆国のスター・ウォーズ計画（SDI計画）により、多額の研究資金を得て、大きく発展した。
特に宇宙空間では空気抵抗が無いために、高速で運動する物体の破壊力（運動エネルギー）は発射から命中までの間、ほぼ無期限に保存される事、また電源として大気越しではない太陽光が利用できる事から、レーザーと並んで宇宙兵器の有力候補に挙げられている。
だが今日では、SDI計画自体が国際情勢の変化に合わせて計画縮小され、実用性においては実績のある既存の火薬を燃焼させて発射する兵器と比較し、巨大な電源装置を必要とする等の点で問題の多い上に、実績も無いレールガンの兵器化研究は進んでいない。
その一方で、1990年代頃から技術開発や研究方面での利用も進み、様々な分野で開発・利用されている。
なおレールガン開発の歴史は、レールガン本体の改良よりも、むしろ電源開発の歴史と述べた方が適切とされており、SDI計画においても、ホモポール発電機の小型化が最重要課題とされていた。今日各方面で利用されているレールガンにおいては、フライホイールに（運動エネルギーの形で）蓄電された物やコンデンサに蓄電した物が利用されるなどしている。
サイエンス・フィクションとレールガン
古くから知られているアイデアであるため、サイエンス・フィクション（SF）やそれを基礎とする映画・ドラマ・アニメ・漫画・コンピュータゲームには、レールガンはしばしば登場するアイテムとなっている。
ただ、作品によっては「超高速で弾丸を発射できる銃器」という位置付けも多く、単に「凄い威力の武器」という超兵器扱いに過ぎない作品も少なからず見られ、これらでは発射に必要とされる電力を何処から賄うかの言及も等閑であったり、あるいはコイルガンやリニアモーターとの区別も曖昧な作品も見られ、更にはプラズマ砲や荷電粒子砲と混同している作品すらある。
一応の科学知識に立脚する作品では、その電力消費が膨大でもある事から、超高速で弾丸を発射できるが連射性が悪く、また電源を含む装置全体では極端な容積・重量を持つものとして描かれているか、マスドライバーなど何らかの施設として設置された巨大なレールガンを、より大電力を入力することで兵器転用して…というアイデアもみられる。
余りに広範囲にアイデアが流用されていることから、個々の作品の列挙はレールガンの登場するサイエンスフィクション一覧に譲るので、そちらを参照されたい。
脚注
- ^ い ろ 「ハイテク兵器の物理学」 防衛技術協会 ISBN4-526-05644-8
- ^ ジャパン・ミリタリー・レビュー『軍事研究』2007年7月号P.66参照
- ^ 米国海軍研究局 - Electromagnetic Railgun: An Innovative Naval Program
- ^ 米国海軍研究局 - 2008年01月31日発表報道資料- U.S. Navy Demonstrates World’s Most Powerful Electromagnetic Railgun at 10 MJ
- ^ Technobahn - 米海軍研究所、10メガジュールの本格的レールガン発射実験に成功
参考資料
- 最新科学論シリーズ15『最新宇宙飛行論』（1991年）学研（P.153~155）
関連項目
外部リンク
- 米国海軍研究局 - FAQ（英語）
- 2004年6月14-16日に行なわれた国際兵器技術シンポジウム＆展示会での EMガンのプレゼンテーション資料（英語）
- Military.com - レールガンの仕組みの解説記事（英語）
- 頭の上のブラックホール？ - JAXA相模原キャンパスで一般公開されたスペースデブリ実験用レールガンの発射動画
- +EML研究所-個人製作のレールガンによる実験等
Text is available under GNU Free Documentation License.
・メタルアーマー関連38｜百科事典 ｜ウェブ ｜画像 ｜動画
・レールガンの登場するサイエンスフィクション一覧
Text is available under GNU Free Documentation License.
動画検索:レールガン
 04:33 | LEVEL5-judgelight- とある科学の超電磁砲＜レールガン＞ |
| 再生回数:100回評価:なし提供:You Tube | |
  |
 06:46 | レールガンを作ってみた。【前篇】I made Railgun (First part) |
再生回数:35,023回評価: 提供:You Tube | |
  |
 01:37 | とある科学の超電磁砲 ＜レールガン＞ OP2 「LEVEL5-Judgelight-」 fripside LQ |
| 再生回数:43,041回評価:提供:You Tube | |
  |
 04:33 | LEVEL5-judgelight- とある科学の超電磁砲＜レールガン＞ railgun 新OP / Violin:TAM |
| 再生回数:19,747回評価:提供:You Tube | |
  |
 05:33 | レールガン三号機 30kj 1000m s ＋EML研究所－ |
再生回数:16,542回評価: 提供:You Tube | |
  |