コイルガン
Artillery using coils to electromagnetically propel a projectile
3つのコイル、銃身、強磁性 弾頭を備えた多段コイルガンの簡略図

コイルガンは、電磁石として用いられる1つ以上のコイルをリニアモーターの形で構成したマスドライバーの一種であり、強磁性体または導電性の弾丸を高速に加速する。 [1] ほとんどすべてのコイルガンの構成において、コイルと砲身は共通軸上に配置されている。コイルガンは砲身が滑腔銃身（ライフル銃ではない） であるため、ライフル銃ではない。

コイルガンは通常、銃身に沿って配置された1つまたは複数のコイルで構成されており、加速する弾丸の軌道はコイルの中心軸に沿って進みます。コイルは正確なタイミングでオン/オフを切り替えることで、磁力によって弾丸が銃身に沿って急速に加速されます。

コイルガンはレールガンとは異なり、レールガンの加速方向は、導体レールによって形成される電流ループの中心軸に対して直角です。さらに、レールガンでは通常、弾頭またはサボに大電流を流すために摺動接点の使用が必要ですが、コイルガンでは必ずしも摺動接点は必要ありません。[2]単純なコイルガンのコンセプトでは、強磁性弾頭や永久磁石弾頭も使用できますが、高速用のほとんどの設計では、実際には弾頭の一部として結合コイルが組み込まれています。

コイルガンはガウスガンとも異なるが、多くのSF作品では両者を誤って混同している。コイルガンは電磁加速を利用するのに対し、ガウスガンはコイルガンの概念が生まれる以前から存在し、ニュートンのゆりかごに似た構造を持つ強磁性体を用いて加速を行う。[3]

歴史

最も古い電磁銃はコイルガンの形で登場し、その最初の発明はノルウェーの科学者クリスチャン・ビルケランドによってクリスチャニア大学（現在のオスロ大学）で行われました。この発明は1904年に正式に特許を取得しましたが、その開発は1845年には既に始まっていたと伝えられています。彼の記録によると、ビルケランドは500グラムの弾丸を約50メートル/秒（160フィート/秒）まで加速させました。[4] [5] [6]

1933年、テキサス州の発明家ヴァージル・リグスビーは、機関銃のように使用できるように設計された固定コイル銃を開発しました。この銃は大型の電気モーターと発電機で駆動されていました。[7]この銃は当時の多くの科学出版物に掲載されましたが、軍隊の関心を引くことはありませんでした。[8]

工事

コイルガンには、主にシングルステージとマルチステージの2つのタイプ（構成）があります。シングルステージコイルガンは、1つの電磁コイルを使用して弾丸を発射します。マルチステージコイルガンは、複数の電磁コイルを連続して使用することで、弾丸の速度を徐々に上げていきます。

強磁性弾

単段コイルガン

強磁性弾の場合、単段コイルガンは、電線コイルと電磁石で構成され、その一端に強磁性弾を配置することで構成できます。このタイプのコイルガンは、電気機械式リレーで使用されるソレノイド、つまり電流を流すコイルに似た構造をしており、強磁性体をコイルの中心に引き寄せます。大電流が電線コイルにパルス状に流されると強力な磁場が形成され、弾丸がコイルの中心に引き寄せられます。弾丸がこの中心に近づくと、電磁石をオフにする必要があります。これは、弾丸が電磁石の中心に捕捉されるのを防ぐためです。

多段設計では、さらに電磁石を用いてこのプロセスを繰り返し、発射体を徐々に加速させます。一般的なコイルガンの設計では、銃身は発射体が走行する軌道で構成され、駆動装置は軌道上の磁気コイルに取り付けられています。電磁石への電力供給は、高速放電用に設計されたバッテリーまたはコンデンサ（電磁石ごとに1つ）などの高速放電蓄電装置から行われます。ダイオードは、コイルをオフした後の電圧の逆極性による損傷から、極性に敏感な部品（半導体や電解コンデンサなど）を保護するために使用されます。

多くの愛好家は、使い捨てカメラのフラッシュコンデンサや標準的なブラウン管テレビのコンデンサをエネルギー源として使用し、低インダクタンスコイルを使用して弾丸を前方に発射するなど、低コストの基本的な設計を使用してコイルガンの実験を行っています。[9] [10]

非強磁性弾

いくつかの設計では、アルミニウムや銅などの材料で作られた非強磁性の発射体が使用され、発射体のアーマチュアが加速コイルのパルスによって内部電流が誘導される電磁石として機能します。[11] [12]クエンチガンと呼ばれる超伝導コイルガンは、隣接する同軸の超伝導コイルのラインを順次クエンチして砲身を形成することで作成でき、任意の速度で移動する磁場勾配の波を生成します。移動する超伝導コイルは、サーフボードのようにこの波に乗ることができます。この装置はマスドライバーまたはリニア同期モーターであり、推進エネルギーは駆動コイルに直接蓄えられます。[13]別の方法として、非超伝導の加速コイルとその外部に推進エネルギーを蓄え、発射体に超伝導磁石を使用する方法があります。[14]

電源切り替えコストやその他の要因によって弾丸のエネルギーが制限される可能性はあるものの、一部のコイルガン設計は、より単純なレールガンに比べて、超高速での物理的接触や侵食による固有の速度制限を回避できるという顕著な利点がある。弾丸が加速時にコイルの中心に引き寄せられるか、コイルの中心で浮上するため、銃身の壁との物理的な摩擦は発生しない。銃身が完全な真空（プラズマ窓を備えた管など）であれば、摩擦は全く発生しないため、再利用期間の延長につながる。[14] [15]

切り替え

多段コイルガン

コイルガンの設計における大きな障害の一つは、コイルを流れる電力のスイッチングである。いくつかの一般的な解決策があるが、最も単純（かつおそらく最も効果が低い）なのはスパークギャップであり、これは電圧が一定の閾値に達するとコイルを通して蓄積されたエネルギーを放出する。より良い選択肢は、ソリッドステートスイッチを使用することである。これにはIGBTやパワーMOSFET（パルスの途中でオフにできる）、SCR（オフにする前に蓄積されたエネルギーをすべて放出する）などが含まれる。[16]

特にフラッシュカメラをメインコンポーネントとして使用している人にとって、手軽なスイッチング方法は、フラッシュチューブ自体をスイッチとして使うことです。コイルと直列に配線することで、（コンデンサ内のエネルギーがチューブの安全動作限界以下に保たれていることを前提として）静音かつ非破壊的にコイルに大電流を流すことができます。他のフラッシュチューブと同様に、チューブ内のガスを高電圧でイオン化することで作動します。しかし、大量のエネルギーが熱と光として散逸します。また、チューブはスパークギャップであるため、両端の電圧が十分に低下するとチューブの導通が停止し、コンデンサに電荷が残ります。

抵抗

コイルの電気抵抗と電流源の 等価直列抵抗(ESR) によって、かなりの電力が消費されます。

低速時にはコイルの加熱がコイルガンの効率を支配し、非常に低い効率となります。しかし、速度が上昇するにつれて、機械出力は速度の2乗に比例して増加しますが、正しくスイッチングされていれば抵抗損失はほとんど影響を受けないため、これらの抵抗損失はパーセンテージで見ると大幅に小さくなります[要出典]。

磁気回路

理想的には、コイルによって生成された磁束の 100% が発射体に送られ、発射体に作用します。しかし、現実には、実際のシステムには常にエネルギー損失が存在し、これを排除することはできないため、これは不可能です。

単純な空芯ソレノイドでは、磁気回路の高い磁気抵抗のため、磁束の大部分は発射体と結合しません。結合していない磁束は磁場を発生させ、周囲の空気にエネルギーを蓄えます。この磁場に蓄えられたエネルギーは、コンデンサの放電が終わっても磁気回路から消えるのではなく、コイルガンの電気回路に戻ります。コイルガンの電気回路は本質的にLC発振器に類似しているため、未使用のエネルギーは逆方向に戻り（「リンギング」）、電解コンデンサなどの有極性コンデンサに深刻な損傷を与える可能性があります。

逆充電は、コンデンサの端子間に逆並列に接続されたダイオードによって防止できます。その結果、ダイオードとコイルの抵抗によって電界エネルギーが熱として放散されるまで電流は流れ続けます。これはシンプルで頻繁に利用される解決策ですが、部品の故障を防ぐために、高価な高出力ダイオードと、十分な熱容量と放熱能力を備えた適切に設計されたコイルが必要になります。

いくつかの設計では、一対のダイオードを用いて磁場に蓄えられたエネルギーを回収しようと試みます。これらのダイオードは、残留エネルギーを消費するのではなく、次の放電サイクルに備えて正しい極性でコンデンサを再充電します。これにより、コンデンサを完全に再充電する必要がなくなり、充電時間が大幅に短縮されます。しかし、このソリューションの実用性は、コンデンサの等価直列抵抗（ESR）を流れる高い再充電電流によって制限されます。ESRは再充電電流の一部を消費し、コンデンサ内で熱を発生させ、寿命を縮める可能性があります。

部品のサイズ、重量、耐久性、そして最も重要なコストを削減するためには、磁気回路を最適化し、与えられたエネルギー入力に対してより多くのエネルギーを発射体に供給する必要があります。この問題は、バックアイアンとエンドアイアンを使用することである程度解決されてきました。バックアイアンとエンドアイアンは、コイルを囲み、磁気抵抗の低い経路を作る磁性材料で、発射体に結合される磁束の量を増やします。結果は使用する材料によって大きく異なります。例えば、趣味の設計では、磁性鋼（より効果的で磁気抵抗が低い）からビデオテープ（磁気抵抗はほとんど改善されない）まで、さまざまな材料が使用されることがあります。さらに、磁気回路に磁性材料を追加すると、磁束飽和やその他の磁気損失の可能性が悪化する可能性があります。

強磁性弾の飽和

コイルガンのもう一つの重大な制約は、強磁性の発射体で磁気飽和が発生することである。発射体内の磁束がその材料の B(H) 曲線の線形部分にあるとき、コアに加わる力はコイル電流 (I) の二乗に比例する。つまり、磁場 (H) は I に線形依存し、B は H に線形依存し、力は積 BI に線形依存する。この関係はコアが飽和するまで続く。飽和すると、B は H (したがって I) とともにわずかに増加するだけなので、力の増加は線形になる。損失は I 2に比例するため、この点を超えて電流を増やすと、力は増加する可能性があるものの、最終的には効率が低下する。これにより、許容できる効率で単一のステージを使用して特定の発射体を加速できる量に絶対的な制限が課せられる。

発射体の磁化と反応時間

飽和とは別に、B(H)依存性はしばしばヒステリシスループを含み、発射体材料の反応時間も重要になる場合があります。ヒステリシスとは、発射体が永久磁化され、発射体の永久磁場としてエネルギーの一部が失われることを意味します。一方、発射体の反応時間は、発射体が急激なB変化に反応しにくくなる原因となります。電流が流されている間、磁束は期待した速度で上昇せず、コイル磁場が消失した後にBテールが発生します。この遅延により、HとBが同位相であれば最大となるはずの力が減少します。

誘導コイルガン

超高速ランチャーとしてのコイルガンの開発研究のほとんどは、強磁性弾に伴う制約を回避するために「空芯」システムを採用してきました。これらのシステムでは、弾丸は可動コイル「アーマチュア」によって加速されます。アーマチュアが1つ以上の「短絡巻線」として構成されている場合、静止したランチャーコイル（または複数のコイル）の電流の時間変化の結果として誘導電流が発生します。

原理的には、可動コイルに摺動接点を介して電流を供給するコイルガンも構成可能です。しかし、このような構成を実際に構築するには、信頼性の高い高速摺動接点を備える必要があります。多巻きコイルアーマチュアへの電流供給には、レールガンに必要なほど大きな電流は必要ではないかもしれませんが、高速摺動接点が不要であることは、レールガンと比較した誘導コイルガンの明らかな潜在的な利点です。

空芯システムには、「鉄芯」システムよりもはるかに高い電流が必要になるというデメリットもあります。しかし、適切な定格の電源を供給すれば、空芯システムは「鉄芯」システムよりもはるかに高い磁場強度で動作できるため、最終的にははるかに高い加速度と力を実現できるはずです。

コイルガンの弾丸の射出速度の公式

単段コイルガンで加速された弾丸の射出速度のおおよその結果は、次の式で得られる[17]。

v e x i t = 2 m V μ 0 χ m n 2 I 2 {\displaystyle v_{exit}={\sqrt {{\frac {2}{m}}{V\mu _{0}\chi _{m}n^{2}I^{2}}}}}

mは発射体の質量で、kgで定義される。

Vは発射体の体積であり、m 3で定義される。

μ 0 は真空透磁率であり、SI単位では4π × 10 −7 V · s /( A · m ) と定義される。

χ mは投射体の磁化率であり、印加磁場に対する物質の磁化の度合いを示す無次元比例定数である。これは多くの場合実験的に決定する必要があり、特定の物質の磁化率の表はCRCの化学物理ハンドブックやWikipediaの磁化率に関する記事に掲載されている。

nはコイルの単位長さあたりの巻き数であり、m −1で定義される。

そして、I はコイルを流れる電流であり、A と定義されます。

この近似はコイルガンシステムの速度の上限を素早く定義するのに便利ですが、より正確で非線形な2次微分方程式も存在します。[17]この式の問題点は、発射体が均一な磁場の中に完全に収まっていると仮定していること、発射体がコイルの中心に到達すると電流が瞬時に消滅すること（コイルの吸い戻しの可能性がなくなる）、すべての位置エネルギーが運動エネルギーに変換されること（そのほとんどは摩擦力に変換される）、そしてコイルのワイヤーが無限に細く、互いに積み重なっていないため、すべてが累積的に予想される射出速度を増加させることです。[17]

用途

M934迫撃砲弾は、コンフォーマルアーマチュアテールキットを備えた実験用コイルガン発射用に改造されており、端から端まで積み重ねられた短いソレノイド電磁石で構成された砲身を通して発射される。

小型コイルガンは趣味で作られており、通常、発射エネルギーは数ジュールから数十ジュール（後者は一般的な空気銃に匹敵し、銃器よりも1桁小さい）で、効率は1％未満から数％の範囲です。[18]

2018年、ロサンゼルスに拠点を置くアークフラッシュ・ラボ社は、一般向けに初のコイルガン「EMG-01A」を発売した。この銃は6グラムの鋼鉄スラッグを毎秒45メートルの速度で発射し、銃口エネルギーは約5ジュールであった。[19] 2021年には、より大型のモデルであるGR-1ガウスライフルを開発した。この銃は30グラムの鋼鉄スラッグを毎秒最大75メートルの速度で発射し、銃口エネルギーは約85ジュールであり、[20] PCPエアライフルに匹敵する。

2022年、イリノイ州レイクフォレストにあるアメリカのガンクラブ、ノースショア・スポーツクラブは、中国北方工業集団公司製のCS/LW21（別名「Eショットガン」）の配布を開始した。これは15ジュールマガジン給弾式のコンパクトなコイル式拳銃である。 [21]同社は、米国での配布台数が年間5000台に達すると予測しており、[22] [23]また、製造業者は中国の警察と軍隊に「非致死性暴動鎮圧」用のユニットを供給する計画も発表している。[24]

より高価で高度な設計を施せば、はるかに高い効率とエネルギーが得られます。1978年、ソ連のボンダレトフは、長さ1cmの2グラムのリングを単段で5000m/sまで加速するという記録的な加速を達成しました。[25]しかし、現代の最も効率的な設計は、多くの段を必要とする傾向があります。[26]宇宙打ち上げ用のはるかに大型の超伝導システムには、90%以上の効率が求められると推定されています。[15] DARPAが試作した45段、長さ2.1mのコイルガン迫撃砲は、効率が22%で、1発の弾丸に1.6メガジュールの 運動エネルギーが供給されます。[27]

大型コイルガンのコンセプト、軌道上に発射体を発射する同軸電磁ランチャー

コイルガンは従来の銃（時にはレールガンの代替品）との競争力という課題に直面しているものの、兵器としての研究が進められている。[27]

DARPAの電磁迫撃砲プログラムは、十分な軽量化といった現実的な課題が達成されれば、その一例となる。コイルガンは比較的静音で、煙で位置が分かることもないが、超音速弾はソニックブームを発生させる。砲身の長さに沿って弾丸を滑らかに加速させることで速度を上げ、120mm電磁迫撃砲は従来型の同長さの迫撃砲に比べて射程が30%増加すると予測されている。別途推進剤を装填する必要がないため、研究者らは発射速度を約2倍に高めることを想定している。[27] [28]

2006年には120mmの試作機が評価のために製作中だったが、サンディア国立研究所は配備までには5年から10年以上かかると見積もっていた。[27] [28] 2011年には、将来の統合軽戦術車両のハイブリッド電気バージョンで運用する81mmコイルガン迫撃砲の開発が提案された。[29] [30]

電磁航空機カタパルトの搭載が計画されており、将来の米国ジェラルド・R・フォード級航空母艦にも搭載される予定です。電磁ミサイル発射装置（EMML）の実験的な誘導コイルガン版は、トマホークミサイルの発射試験に使用されています。 [31]中国のHITでは、コイルガンをベースとした戦車用アクティブ防御システムの開発が進められています。 [32]

コイルガンの潜在能力は軍事用途を超えて広がると認識されています。

ギガジュール（メガジュール以下ではなく）の運動エネルギー規模で発射質量と速度を持つ巨大なコイルガンを開発するための課題とそれに伴う資本投資を克服できる組織はほとんどありません。地球や月へのロケットとして、以下のようなものが提案されています。

  • 1975年のNASAの調査で検討された野心的な月面基地の提案では、4000トンのコイルガンで1000万トンの月面物質を数年間かけてL5に送り込み、9900トンの大型発電所を利用して大規模な宇宙植民地化を支援するというものだった。[33]
  • 1992年のNASAの研究では、330トンの月面クエンチガン（超伝導コイルガン）は、平均350kWという比較的小さな電力で、重量1.5トンで液体酸素を積んだ弾丸を年間4400発打ち上げることができると計算された。 [ 34]
  • NASAエイムズ研究所による地上打ち上げにおける熱シールドの空力的要件に関する研究の後、サンディア国立研究所は宇宙船用電磁発射装置を調査し、レールガンとコイルガンの両方を用いた他の電磁誘導方式の応用を研究した。1990年には、小型衛星の打ち上げ用に1キロメートル長のコイルガンが提案された。[35] [36]
  • サンディア研究所でのその後の調査には、2005年に提案された非常に長いコイルガンのスタートラムコンセプトが含まれており、その1つのバージョンでは、生存可能な加速で乗客を軌道に打ち上げることが想定されていました。[37]
  • マスドライバーは、磁化可能なコンテナとペイロードからなるパッケージを磁気的に加速するコイルガンです。加速後、コンテナとペイロードは分離し、コンテナは減速されて再び別のペイロードを積載するために再始動します。

参照

参考文献

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  • コイルガンのプロトタイプ。CG42-フルオートコイルガン
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