コイルガン

コイルガンの発射の仕組み
弾丸が弾道を進むにつれコイルの電流が切り替わり、それにより弾丸が加速する

コイルガン（英: Coilgun）は電磁石のコイルを使って弾丸となる物体を加速・発射する装置である。

概要

コイルガンは電磁石の力で弾丸または投射物を撃ち出すための装置の一種である。同じく電磁気力で弾丸を発射する装置であるレールガンと比較すると、基本的な電気回路の構成が異なる点、投射物に電流が流れない点など、構造上において大きな違いがある。具体的にはコイルガンが名のとおりコイル状の電気回路を構成するのに対して、レールガンは並行する2本の導体とその間に挟まれた投射物により構成される。

レールガンは弾丸を発射するために大量の電流を入力する必要がある一方、コイルガンは必要最小限の動作において多くの電流を必要としない。単純なものでは、銀玉鉄砲のばねおよびストライカー（弾丸を突き飛ばす棒）を電磁石（ソレノイド式アクチュエータ）に置き換え、ソレノイド内の心棒が通電時に突き出される力で弾体をはじき出す仕組みのものが想定される。構造にもよるが、入力されるエネルギーは比較的小さく、また動作において火薬の爆音にみられる急激な膨張や相変化は必要でないなどの特徴から、動作音は小さいものとすることが可能である。

なおレールガンは、単純化された理論上は投射物の初速を光速に達せられるが、コイルガンでそれに近い初速を得ることは困難である。理由は抵抗の大きい、コイル状の電気回路に電流を流す必要性があるためである。

架空の装置として

名称としてSF作品などに登場する架空の砲が、漢字を当てた電磁投射砲や、ガウスガンないしガウス砲（ガウスキャノン）とも呼ばれることがある。ガウス(Gauss)は物理量におけるガウス単位系に由来し、カール・フリードリヒ・ガウスと直接的な関係はない。またこれらの名称で呼称される砲は、後述するように電磁投射方式の装置全般を指し、コイルガンに限定されない。

なお、「火薬を使わない銃」という位置付けで、SF作品中やこれを基底としているコンピュータゲームなど創作物においてしばしば登場する。レールガンとコイルガンは共に電磁投射砲の一種であり、なかには双方の区別が曖昧な作品も見られる。

そのような扱いが曖昧な作品中では、レールガンの原理としてコイルガンの原理が説明されるものやその逆の場合など、混同が多々みられ、正確に「コイルガン」を考察できる作品は少ない。「ガウスガン」という表現は、磁力を使うという点でレールガンとコイルガンの双方を内包しているとも解釈でき、2つの境界を曖昧にしている。

原理・構造

コイルガンには、いくつかの方式が存在する。方式によって弾丸となるものや、コイル等の構築要素が大きく変わる。

一般的に多く知られている「電磁石の磁力で銃身内の弾丸を引き込んで加速する」というもの（吸引型）である。このため、弾丸は磁性体でなければならない（特に磁化してある必要はない）。ただし、弾丸が電磁石の位置にきたら電磁石を停止させなければならない。これを行わないと弾丸を加速したのと同じ力で弾丸は引き戻されるため、発射されない。そのため、弾丸通過にあわせて電磁石のスイッチを切断する機構を必要とする。そのため、普通は電荷を一気に放電する特性のあるコンデンサーを充電し、サイリスタ等の半導体スイッチで瞬間的に電荷を放電することによってそれを実現している。コイルガンは複数のコイルを直列にすることで弾丸を段階的に加速させることもできる（リニアモーターである。多段式コイルガンとも呼ばれる）が、これも弾丸通過に併せて電磁石のON/OFFを制御する必要がある。弾丸通過に合わせてスイッチングするには主にフォトインタラプタが使われる。レーザー等の光をフォトトランジスタに当て、弾丸が通過すると光が遮断され、スイッチが入る仕組みである。ほかにもマイコン等の電子回路でコイルを順繰りにスイッチングする方式もある。

用途・可能性

電源が必須な上に構造的に銃器としては十分な初速が得がたいことから、殺傷力を持つ銃の機構には採用されておらず、遊戯銃のなかにストライカーを使うタイプのものがあるかも知れないが、一般的にはまれなシステムといえよう。マニア筋が実験的にその可能性を探ってはいるが、「少々物騒なおもちゃ」の域を出ないのが現状である。一般にコイルガンの効率は1-10%と低いため、威力の高い物を製作するのは原理的に無理がある。この技術的限界は段階的加速させる多段式コイルガンなら効率の向上が可能ともみられるが、こちらは多薬室砲などにみられる技術的理由と同質の問題にもより複雑な制御を必要とする。

ただし、物体を一定速度に加速することができるため、これを大型化して真空チューブ列車の加速・減速用には利用できるかもしれないと考えられる。しかし、真空チューブ列車自体が頓挫している現在となってはこれといって使い道がみられない。その一方でマスドライバーの動力としての利用も考えられている。

また、超伝導電磁石を使用すれば、臨界電流を超えない範囲で大電流を流すことができるため、通常の電磁石に比べて非常に強い磁場が得られ、より大きな初速を期待できる。さらにクエンチ現象を逆用し、弾丸通過の際に発生する熱で意図的にコイルを常伝導状態に転移させ磁場を急速に断つことで、前述のスイッチングを制御機構なしに実現する型式も考案されており、その一つとして1988年にアメリカ陸軍推進研究所のハリー・フェアーらによって提唱されたソレノイド・クエンチガンがあげられる。この型式では弾丸も超伝導電磁石により構成され、加速用電磁石による磁場を打ち消そうとする電磁誘導の原理を利用して、加速の過程で弾丸の磁束密度を高めることができるため、十分な長さを持つソレノイド・クエンチガンはかなりの速度を実現できるものと考えられている。ただしこの型式ではクエンチ現象の起こるタイミングを精密に制御する必要があることから、クエンチ発生の条件が均質に制御された超伝導材料が必須である。このため現状では理論の域を出ない。

歴史

このアイデアの原点には1900年のクリスチャン・ビルケランドが取得した特許が挙げられる。この特許は当時の最先端技術である電気の分野であったので注目されたが、従来の火薬銃より優れるものを実用化できるめどが無く、軍事方面の開発ではすぐに忘れ去られてしまったようだ。

アメリカ合衆国でもテキサス大学オースティン校で戦略防衛構想の関係から米国防総省の依頼により何年か研究していたようだが、結局は最大初速で同時進行していたレールガン開発の成果に及ばず、研究の継続は見送られた模様である。

近年の動向は、金属製の弾丸を発射する装置を使い捨てカメラの内部部品などを材料として作成する一般市民の科学ファンが少なからずおり、彼らのホームページや動画サイト等でその実験の様子を見ることも出来る。実質的な威力は、よほど大掛かりまたは複雑な機構を持つ物をでなければスリングショット(パチンコ)にも及ばない模様だ。一部のマニアが強力な電源を使って手製の弾丸を発射し、空き缶やガラス瓶を壊したり、雑誌や木の板に弾丸をめり込ませたりしている様がみられる程度である。

アメリカで2017年に創業されたArcflash Labs社は、事業のひとつとしてコイルガンの設計製造を行っている。創業直後にEMG-01A、2021年7月にGR-1、2022年7月にはEMG-02をそれぞれ販売開始した。

参考文献

• 『最新宇宙飛行論-はるかなる未来文明への飛翔系』（1991年Gakken Mook・最新科学論シリーズ15）ISBN 4051059529

関連項目

• リニアモーター