Railgun

Testschüsse im United States Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division im Januar 2008 ⓘ

Eine Railgun ist ein Gerät mit Linearmotor, das in der Regel als Waffe konzipiert ist und elektromagnetische Kräfte nutzt, um Hochgeschwindigkeitsprojektile abzuschießen. Das Projektil enthält normalerweise keinen Sprengstoff, sondern verlässt sich auf die hohe Geschwindigkeit, Masse und kinetische Energie des Projektils, um Schaden anzurichten. Die Railgun verwendet ein Paar paralleler Leiter (Schienen), entlang derer ein gleitender Anker durch die elektromagnetischen Effekte eines Stroms beschleunigt wird, der über eine Schiene in den Anker und dann über die andere Schiene zurückfließt. Er basiert auf ähnlichen Prinzipien wie der homopolare Motor. ⓘ

Ab 2020 werden Railguns als Waffen erforscht, die elektromagnetische Kräfte nutzen, um einem Projektil eine sehr hohe kinetische Energie zu verleihen (z. B. APFSDS), anstatt herkömmliche Treibladungen zu verwenden. Während mit Sprengstoff betriebene Militärwaffen nicht ohne weiteres eine Mündungsgeschwindigkeit von mehr als ≈2 km/s erreichen können, können Railguns ohne weiteres 3 km/s überschreiten. Bei einem ähnlichen Projektil kann die Reichweite von Railguns die von konventionellen Geschützen übersteigen. Die Zerstörungskraft eines Geschosses hängt von seiner kinetischen Energie und Masse am Auftreffpunkt ab. Aufgrund der potenziell hohen Geschwindigkeit eines mit einer Railgun abgefeuerten Geschosses kann seine Zerstörungskraft viel größer sein als die eines konventionell abgefeuerten Geschosses derselben Größe. Weitere Vorteile sind das Fehlen von explosiven Treibladungen oder Sprengköpfen, die gelagert und gehandhabt werden müssen, sowie die im Vergleich zu konventionellen Waffen niedrigen Kosten der Geschosse. ⓘ

Railguns befinden sich nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung immer noch im Forschungsstadium, und es bleibt abzuwarten, ob sie jemals als praktische militärische Waffen eingesetzt werden. Bei jeder Abwägung zwischen elektromagnetischen (EM) Antriebssystemen und chemischen Treibmitteln für Waffenanwendungen müssen auch deren Haltbarkeit, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit sowie die Neuartigkeit, die Sperrigkeit, der hohe Energiebedarf und die Komplexität der gepulsten Stromversorgungen berücksichtigt werden, die für elektromagnetische Trägersysteme erforderlich sind. ⓘ

Electromagnetic Railgun/EMRG der US-Navy ⓘ

Eine Railgun (genauer Electromagnetic Railgun/EMRG, dt. Schienengewehr oder Schienenkanone) ist eine Waffe, die Stahlgeschosse mittels eines stromführenden Schlittens entlang zweier parallel laufender Schienen („Rails“) beschleunigt. Die Beschleunigung der Projektile entsteht durch das Magnetfeld, das vom Stromfluss erzeugt wird. Abhängig von der Beschleunigungsstrecke (Schienenlänge) und der Stärke des Stromes, aber auch von der Anordnung der Schienen werden Geschwindigkeiten von mehreren Kilometern pro Sekunde erreicht. Bei konventionellen Waffen betragen die Mündungsgeschwindigkeiten etwa 2 km/s (entspricht etwa 6 Mach). Bei Experimenten mit Railguns während der Strategischen Verteidigungsinitiative (SDI) der USA wurden Geschwindigkeiten von über 7,5 Mach erreicht. ⓘ

Grundlagen

Schematische Darstellung einer Railgun ⓘ

Die Railgun in ihrer einfachsten Form unterscheidet sich von einem herkömmlichen Elektromotor durch den Verzicht auf zusätzliche Feldwicklungen (oder Permanentmagnete). Diese Grundkonfiguration wird durch eine einzige Stromschleife gebildet und erfordert daher hohe Ströme (z. B. in der Größenordnung von einer Million Ampere), um ausreichende Beschleunigungen (und Mündungsgeschwindigkeiten) zu erzeugen. Eine relativ häufige Variante dieser Konfiguration ist die "Augmented Railgun", bei der der Antriebsstrom durch zusätzliche Paare paralleler Leiter geleitet wird, die so angeordnet sind, dass sie das Magnetfeld des beweglichen Ankers vergrößern. Dadurch wird der für eine bestimmte Beschleunigung erforderliche Strom reduziert. In der Terminologie der Elektromotoren sind verstärkte Railguns in der Regel in Reihe gewickelte Konfigurationen. Einige Railguns verwenden auch starke Neodym-Magnete, deren Feld senkrecht zum Stromfluss steht, um die Kraft auf das Geschoss zu erhöhen. ⓘ

Der Anker kann ein integraler Bestandteil des Geschosses sein, er kann aber auch so konfiguriert sein, dass er ein separates, elektrisch isoliertes oder nicht leitendes Geschoss beschleunigt. Feste, metallische Gleitleiter sind häufig die bevorzugte Form von Railgun-Ankern, aber auch Plasma- oder "Hybrid"-Anker können verwendet werden. Eine Plasma-Armatur wird durch einen Lichtbogen aus ionisiertem Gas gebildet, der dazu dient, eine feste, nichtleitende Nutzlast in ähnlicher Weise voranzutreiben wie der Treibgasdruck in einer herkömmlichen Waffe. Bei einer Hybridarmatur wird ein Paar Plasmakontakte verwendet, um eine Metallarmatur mit den Kanonenschienen zu verbinden. Festkörperanker können auch in Hybridanker umgewandelt werden, in der Regel nach Überschreiten einer bestimmten Geschwindigkeitsschwelle. Der hohe Strom, der für den Betrieb einer Railgun erforderlich ist, kann durch verschiedene Stromversorgungssysteme wie Kondensatoren, Impulsgeneratoren und Scheibengeneratoren bereitgestellt werden. ⓘ

Für potenzielle militärische Anwendungen sind Railguns in der Regel von Interesse, weil sie wesentlich höhere Mündungsgeschwindigkeiten erreichen können als mit herkömmlichen chemischen Treibladungen betriebene Geschütze. Höhere Mündungsgeschwindigkeiten mit aerodynamisch besser gestalteten Geschossen können die Vorteile größerer Schussweiten mit sich bringen, während höhere Endgeschwindigkeiten im Hinblick auf die Zielwirkung den Einsatz von Geschossen mit kinetischer Energie und Hit-to-kill-Lenkung als Ersatz für Explosivgeschosse ermöglichen können. Daher zielen typische militärische Railgun-Konstruktionen auf Mündungsgeschwindigkeiten im Bereich von 2.000-3.500 m/s (4.500-7.800 mph; 7.200-12.600 km/h) mit Mündungsenergien von 5-50 Megajoule (MJ). Zum Vergleich: 50 MJ entsprechen der kinetischen Energie eines 5 Tonnen schweren Schulbusses, der mit 509 km/h (316 mph; 141 m/s) fährt. Für Einzelschleifen-Railguns erfordern diese Anforderungen Abschussströme von einigen Millionen Ampere, so dass ein typisches Railgun-Netzteil darauf ausgelegt sein könnte, einen Abschussstrom von 5 MA für einige Millisekunden zu liefern. Da die für solche Starts erforderlichen Magnetfeldstärken in der Regel bei etwa 10 Tesla (100 Kilogauss) liegen, sind die meisten modernen Railgun-Konstruktionen effektiv luftgekühlt, d. h. sie verwenden keine ferromagnetischen Materialien wie Eisen zur Verstärkung des Magnetflusses. Besteht der Lauf jedoch aus einem magnetisch permeablen Material, erhöht sich die magnetische Feldstärke aufgrund der Zunahme der Permeabilität (μ = μ₀*μr, wobei μ die effektive Permeabilität, μ₀ die Permeabilitätskonstante und μr die relative Permeabilität des Laufs ist). Dadurch erhöht sich die Kraft auf das Projektil. ⓘ

Die Geschwindigkeiten von Railguns liegen im Allgemeinen im Bereich der Geschwindigkeiten, die mit zweistufigen Leichtgaskanonen erreicht werden können; letztere werden jedoch im Allgemeinen nur für den Einsatz im Labor für geeignet gehalten, während Railguns als potenzielle militärische Waffen angesehen werden. Eine Leichtgaskanone, die Combustion Light Gas Gun in Form eines 155-mm-Prototyps, sollte mit einem 70-Kaliber-Lauf 2500 m/s erreichen. Bei einigen Hypervelocity-Forschungsprojekten werden die Geschosse in Railguns "vorinjiziert", um die Notwendigkeit eines Starts aus dem Stand zu vermeiden, und sowohl zweistufige Leichtgaskanonen als auch konventionelle Pulverkanonen wurden für diese Aufgabe eingesetzt. Wenn es gelingt, eine Technologie für die Energieversorgung von Railguns zu entwickeln, die sichere, kompakte, zuverlässige, kampftaugliche und leichte Einheiten ermöglicht, dann können das Gesamtvolumen und die Masse des Systems, die für die Unterbringung einer solchen Energieversorgung und ihres Primärbrennstoffs erforderlich sind, geringer sein als das Gesamtvolumen und die Masse, die für eine der Mission entsprechende Menge konventioneller Treibladungen und Sprengmunition erforderlich sind. Mit der Einführung des Electromagnetic Aircraft Launch System (EMALS) ist diese Technologie wohl ausgereift (auch wenn Railguns wesentlich höhere Systemleistungen benötigen, da etwa vergleichbare Energien in wenigen Millisekunden und nicht in wenigen Sekunden abgegeben werden müssen). Eine solche Entwicklung würde einen weiteren militärischen Vorteil mit sich bringen, da der Verzicht auf Sprengstoff bei allen militärischen Waffenplattformen deren Anfälligkeit für feindlichen Beschuss verringern würde. ⓘ

Geschichte

Deutsche Railgun-Diagramme ⓘ

Das Konzept der Railgun wurde erstmals vom französischen Erfinder André Louis Octave Fauchon-Villeplée vorgestellt, der 1917 mit Hilfe der Société anonyme des accumulateurs Tudor (heute Tudor Batteries) ein kleines Funktionsmodell entwickelte. Während des Ersten Weltkriegs beauftragte der französische Direktor für Erfindungen im Rüstungsministerium, Jules-Louis Brenton, Fauchon-Villeplee am 25. Juli 1918 mit der Entwicklung einer 30- bis 50-mm-Elektrokanone, nachdem Delegierte der Commission des Inventions 1917 Testversuche mit dem Arbeitsmodell beobachtet hatten. Das Projekt wurde jedoch nach dem Ende des Ersten Weltkriegs am 11. November 1918 wieder aufgegeben. Fauchon-Villeplee meldete am 1. April 1919 ein US-Patent an, das im Juli 1922 als Patent Nr. 1.421.435 "Electric Apparatus for Propelling Projectiles" erteilt wurde. In seinem Gerät sind zwei parallele Stromschienen mit den Flügeln eines Geschosses verbunden, und der gesamte Apparat ist von einem Magnetfeld umgeben. Wenn Strom durch die Stromschienen und das Projektil fließt, wird eine Kraft induziert, die das Projektil entlang der Stromschienen und in die Luft treibt. ⓘ

1923 kritisierte der russische Wissenschaftler A. L. Korol'kov die Konstruktion von Fauchon-Villeplee und widersprach einigen Behauptungen, die Fauchon-Villeplee über die Vorteile seiner Erfindung aufgestellt hatte. Korol'kov kam schließlich zu dem Schluss, dass der Bau einer elektrischen Langstreckenwaffe zwar im Bereich des Möglichen lag, die praktische Anwendung von Fauchon-Villeplees Railgun jedoch durch den enormen Stromverbrauch und die Notwendigkeit eines speziellen Stromgenerators mit beträchtlicher Kapazität behindert wurde. ⓘ

Im Jahr 1944, während des Zweiten Weltkriegs, schlug Joachim Hänsler vom deutschen Heereswaffenamt die erste theoretisch realisierbare Railgun vor. Ende 1944 war die Theorie seines elektrischen Flakgeschützes so weit ausgearbeitet, dass das Flakkommando der Luftwaffe eine Spezifikation herausgeben konnte, die eine Mündungsgeschwindigkeit von 2.000 m/s und ein Projektil mit 0,5 kg Sprengstoff forderte. Die Geschütze sollten in Sechser-Batterien montiert werden, die zwölf Schuss pro Minute abfeuern sollten, und es sollte auf die vorhandenen 12,8-cm-FlaK-40-Lafetten passen. Sie wurde nie gebaut. Als nach dem Krieg Einzelheiten bekannt wurden, erregte es großes Interesse, und es wurde eine detailliertere Studie durchgeführt, die in einem Bericht aus dem Jahr 1947 gipfelte, der zu dem Schluss kam, dass es theoretisch machbar sei, aber dass jedes Geschütz genug Energie benötigen würde, um halb Chicago zu beleuchten. ⓘ

Im Jahr 1950 initiierte Sir Mark Oliphant, ein australischer Physiker und erster Direktor der Research School of Physical Sciences an der neuen Australian National University, die Entwicklung und den Bau des weltweit größten (500 Megajoule) homopolaren Generators. Diese Maschine war ab 1962 in Betrieb und wurde später zum Antrieb einer großen Railgun verwendet, die als wissenschaftliches Experiment diente. ⓘ

1980 begann das Ballistic Research Laboratory (später zum U.S. Army Research Laboratory zusammengefasst) ein langfristiges Programm zur theoretischen und experimentellen Erforschung von Railguns. Die Arbeiten wurden hauptsächlich auf dem Aberdeen Proving Ground durchgeführt, und ein Großteil der frühen Forschungsarbeiten war von den Railgun-Experimenten der Australian National University inspiriert. Zu den Forschungsthemen gehörten Plasmadynamik, elektromagnetische Felder, Telemetrie sowie Strom- und Wärmetransport. Während die militärische Forschung zur Railgun-Technologie in den Vereinigten Staaten in den folgenden Jahrzehnten kontinuierlich fortgesetzt wurde, änderten sich die Richtung und der Schwerpunkt der Forschung dramatisch, als sich die Höhe der Finanzmittel und die Bedürfnisse der verschiedenen Regierungsbehörden stark veränderten. Mit der Gründung der Strategic Defense Initiative Organization im Jahr 1984 verlagerten sich die Forschungsziele auf den Aufbau einer Satellitenkonstellation zum Abfangen ballistischer Interkontinentalraketen. Infolgedessen konzentrierte sich das US-Militär auf die Entwicklung kleiner gelenkter Geschosse, die dem Hoch-G-Abschuss aus Ultrahochgeschwindigkeits-Plasmaankern standhalten konnten. Doch nach der Veröffentlichung einer wichtigen Studie des Defense Science Board im Jahr 1985 wurden die US-Armee, das Marine Corps und die DARPA mit der Entwicklung panzerbrechender, elektromagnetischer Starttechnologien für mobile Bodenkampffahrzeuge beauftragt. 1990 gründete die US-Armee in Zusammenarbeit mit der University of Texas in Austin das Institute for Advanced Technology (IAT), das sich auf die Erforschung von Feststoff- und Hybridankern, Wechselwirkungen zwischen Schiene und Anker und elektromagnetischen Startmaterialien konzentrierte. Die Einrichtung wurde zum ersten staatlich finanzierten Forschungs- und Entwicklungszentrum der Armee und beherbergte einige der elektromagnetischen Werfer der Armee, wie z. B. den Mittelkaliber-Werfer. ⓘ

Seit 1993 arbeiten die britische und die amerikanische Regierung gemeinsam an einem Railgun-Projekt im Dundrennan Weapons Testing Centre, das 2010 in einem Test gipfelte, bei dem BAE Systems ein 3,2 kg schweres Projektil mit einer Geschwindigkeit von 18,4 Megajoule [3.390 m/s (7.600 mph; 12.200 km/h; 11.100 ft/s)] abfeuerte. 1994 entwickelte das Armament Research and Development Establishment der indischen Streitkräfte (DRDO) eine Railgun mit einer Kondensatorbank mit 240 kJ und niedriger Induktivität, die mit einer Spannung von 5 kV arbeitet und Geschosse mit einem Gewicht von 3 bis 3,5 g auf eine Geschwindigkeit von mehr als 2.000 m/s (4.500 mph; 7.200 km/h; 6.600 ft/s) abfeuern kann. 1995 entwarf und entwickelte das Zentrum für Elektromagnetik an der Universität von Texas in Austin einen Schnellfeuer-Railgun-Werfer mit der Bezeichnung "Cannon-Caliber Electromagnetic Gun". Der Prototyp des Raketenwerfers wurde später im U.S. Army Research Laboratory getestet, wo er einen Wirkungsgrad von über 50 Prozent aufwies. ⓘ

2010 testete die US-Marine ein von BAE Systems entwickeltes kompaktes Railgun für Schiffe, das ein 3,2 kg schweres Projektil mit 18,4 MJ kinetischer Energie auf eine Hyperschallgeschwindigkeit von etwa 3.390 m/s (7.600 mph; 12.200 km/h; 11.100 ft/s), also etwa Mach 10, beschleunigte. Es war das erste Mal in der Geschichte, dass derartige Leistungen erreicht wurden. Sie gaben dem Projekt das Motto "Velocitas Eradico", lateinisch für "Ich, der ich die Geschwindigkeit bin, rode aus" - oder in der Umgangssprache: "Geschwindigkeit tötet". Eine frühere Railgun desselben Designs (32 Megajoule) befindet sich im Dundrennan Weapons Testing Centre im Vereinigten Königreich. ⓘ

Railguns mit geringer Leistung in kleinem Maßstab sind auch bei Hochschul- und Amateurprojekten beliebt. Mehrere Amateure forschen aktiv an Railguns. ⓘ

Entwurf

Theorie

Ein Railgun besteht aus zwei parallelen Metallschienen (daher der Name). An einem Ende sind diese Schienen mit einer Stromquelle verbunden und bilden den Verschluss der Waffe. Wird nun ein leitfähiges Projektil zwischen die Schienen geschoben (z. B. durch Einschieben in den Verschluss), schließt sich der Stromkreis. Die Elektronen fließen vom Minuspol der Stromversorgung über die negative Schiene, über das Projektil und über die positive Schiene zurück zur Stromversorgung. ⓘ

Dieser Strom bewirkt, dass sich die Railgun wie ein Elektromagnet verhält und ein Magnetfeld innerhalb der Schleife erzeugt, die durch die Länge der Schienen bis zur Position des Ankers gebildet wird. Gemäß der Rechtsregel kreist das Magnetfeld um jeden Leiter. Da der Strom entlang jeder Schiene in entgegengesetzter Richtung fließt, ist das Nettomagnetfeld zwischen den Schienen (B) rechtwinklig zu der durch die Mittelachsen der Schienen und des Ankers gebildeten Ebene ausgerichtet. In Kombination mit dem Strom (I) im Anker entsteht eine Lorentz-Kraft, die das Projektil entlang der Schienen beschleunigt, und zwar immer aus der Schleife heraus (unabhängig von der Polarität der Stromversorgung) und von der Stromversorgung weg, in Richtung des Mündungsendes der Schienen. Es gibt auch Lorentz-Kräfte, die auf die Schienen wirken und versuchen, sie auseinander zu drücken, aber da die Schienen fest montiert sind, können sie sich nicht bewegen. ⓘ

Wenn in einem Paar idealer, unendlich langer, paralleler Leiter, die einen Meter voneinander entfernt sind, ein Strom von einem Ampere fließt, beträgt die Kraft auf jeden Meter dieser Leiter per Definition genau 0,2 Mikronewton. Außerdem ist die Kraft im Allgemeinen proportional zum Quadrat der Stromstärke und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Leitern. Daraus folgt auch, dass für Railguns mit Projektilmassen von einigen kg und Lauflängen von einigen m sehr große Ströme erforderlich sind, um die Projektile auf Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 1000 m/s zu beschleunigen. ⓘ

Eine sehr große Stromquelle mit einer Stromstärke in der Größenordnung von einer Million Ampere erzeugt eine enorme Kraft auf das Projektil und beschleunigt es auf eine Geschwindigkeit von vielen Kilometern pro Sekunde (km/s). Obwohl diese Geschwindigkeiten möglich sind, reicht die durch den Antrieb des Objekts erzeugte Wärme aus, um die Schienen schnell zu erodieren. Bei hoher Beanspruchung müssten die Schienen bei den derzeitigen Railguns häufig ausgetauscht werden, oder es müsste ein hitzebeständiges Material verwendet werden, das leitfähig genug wäre, um denselben Effekt zu erzielen. Gegenwärtig wird allgemein anerkannt, dass es großer Durchbrüche in der Materialwissenschaft und verwandten Disziplinen bedarf, um leistungsstarke Railguns herzustellen, die mehr als nur ein paar Schüsse aus einem einzigen Schienensatz abfeuern können. Der Lauf muss diesen Bedingungen bis zu mehreren Schüssen pro Minute und Tausenden von Schüssen standhalten, ohne dass es zu Ausfällen oder nennenswerten Beeinträchtigungen kommt. Diese Parameter gehen weit über den aktuellen Stand der Materialwissenschaft hinaus. ⓘ

Elektromagnetische Analyse

In diesem Abschnitt werden einige elementare Analysen der grundlegenden theoretischen elektromagnetischen Prinzipien vorgestellt, die die Mechanik von Railguns bestimmen. ⓘ

Wenn eine Railgun ein einheitliches Magnetfeld der Stärke $B$rechtwinklig zur Anker- und zur Bohrungsachse ausrichtet, dann ist bei einem Ankerstrom $I$ und einer Ankerlänge ${\boldsymbol {\ell }}$die Kraft $F$ die das Projektil beschleunigt, durch die folgende Formel gegeben sein:

${\boldsymbol {F}}=I{\boldsymbol {\ell }}\times {\boldsymbol {B}}$ ⓘ

Hier werden die Kraft, der Strom und das Feld als Vektoren behandelt, so dass das obige Vektor-Kreuzprodukt eine entlang der Bohrungsachse gerichtete Kraft ergibt, die als Folge des Magnetfelds auf den Strom im Anker wirkt. ⓘ

In den meisten einfachen Railguns wird das Magnetfeld $B$ nur durch den in den Schienen, d. h. hinter dem Anker, fließenden Strom erzeugt. Daraus folgt, dass das Magnetfeld weder konstant noch räumlich gleichmäßig sein wird. Daher muss die Kraft in der Praxis unter Berücksichtigung der räumlichen Variation des Magnetfelds über das Volumen des Ankers berechnet werden. ⓘ

Zur Veranschaulichung der Prinzipien kann es nützlich sein, die Schienen und den Anker als dünne Drähte oder "Fäden" zu betrachten. Mit dieser Näherung kann die Größe des Kraftvektors aus einer Form des Biot-Savart-Gesetzes und einem Ergebnis der Lorentz-Kraft bestimmt werden. Die Kraft lässt sich mathematisch ableiten aus der Permeabilitätskonstante ($\mu _{0}$), dem Radius der Schienen (die im Querschnitt als kreisförmig angenommen werden) ($r$), dem Abstand zwischen den Mittelachsen der Schienen ($d$) und der Stromstärke ($I$) wie unten beschrieben. ⓘ

Zunächst lässt sich anhand des Biot-Savart-Gesetzes zeigen, dass an einem Ende eines halbunendlichen stromdurchflossenen Drahtes das Magnetfeld in einem bestimmten senkrechten Abstand ($s$) vom Ende des Drahts gegeben ist durch ⓘ

$\mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{4\pi s}}{\widehat {\varphi }}$ ⓘ

Man beachte dies, wenn der Draht von der Stelle des Ankers z. B. von x = 0 zurück nach $x=-\infty$ und $s$ wird relativ zur Achse des Drahtes gemessen. ⓘ

Wenn also der Anker die Enden von zwei solchen halbunendlichen Drähten verbindet, die durch einen Abstand getrennt sind, $d$eine recht gute Näherung, wenn man annimmt, dass die Länge der Drähte viel größer ist als $d$ist, beträgt das Gesamtfeld beider Drähte an jedem Punkt des Ankers:

$\mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{4\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{d-s}}\right){\widehat {z}}$ ⓘ

wobei $s$ der senkrechte Abstand zwischen dem Punkt auf der Armatur und der Achse eines der Drähte ist. ⓘ

Beachten Sie, dass ${\widehat {\varphi }}$ zwischen den Schienen ist ${\widehat {z}}$ vorausgesetzt, die Schienen liegen in der xy-Ebene und verlaufen von x = 0 zurück nach $x=-\infty$ wie oben vorgeschlagen. ⓘ

Um die Kraft auf den Anker zu berechnen, kann der obige Ausdruck für das Magnetfeld auf dem Anker in Verbindung mit dem Lorentz-Kraftgesetz verwendet werden,

$\mathbf {F} =I\int \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\times \mathbf {B} (s)$ ⓘ

Daraus ergibt sich die Kraft als

$\mathbf {F} =I\int _{r}^{d-r}\mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\times {\frac {\mu _{0}I}{4\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{d-s}}\right){\widehat {z}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{2\pi }}\ln \left({\frac {d-r}{r}}\right){\widehat {x}}$ ⓘ

Dies zeigt, dass die Kraft proportional zum Produkt aus $\mu _{0}$ und dem Quadrat des Stroms, $I$. Da der Wert von μ₀ klein ist (4π×10-7 H/m), folgt daraus, dass leistungsstarke Railguns große Antriebsströme benötigen. ⓘ

Die obige Formel beruht auf der Annahme, dass der Abstand ($l$) zwischen dem Punkt, an dem die Kraft ($F$) und dem Anfang der Schienen größer ist als der Abstand der Schienen ($d$) um einen Faktor von etwa 3 oder 4 ($l>3d$). Es wurden auch einige andere vereinfachende Annahmen getroffen; um die Kraft genauer zu beschreiben, muss die Geometrie der Schienen und des Geschosses berücksichtigt werden. ⓘ

Bei den meisten praktischen Railgun-Geometrien ist es nicht einfach, einen elektromagnetischen Ausdruck für die Railgun-Kraft zu finden, der sowohl einfach als auch einigermaßen genau ist. Eine nützliche Alternative für ein praktikableres einfaches Modell ist die Verwendung eines pauschalen Schaltungsmodells, um die Beziehung zwischen dem Antriebsstrom und der Railgun-Kraft zu beschreiben. ⓘ

In diesen Modellen wird die Railgun als elektrischer Stromkreis modelliert und die Antriebskraft kann aus dem Energiefluss im Stromkreis bestimmt werden. Die Spannung über dem Railgun-Verschluss ist gegeben durch ⓘ

$V={\frac {\mathrm {d} (LI)}{\mathrm {d} t}}+IR$ ⓘ

Die Gesamtleistung, die in die Railgun fließt, ist also einfach das Produkt $VI$. Diese Leistung stellt einen Energiefluss in drei Hauptformen dar: kinetische Energie im Geschoss und im Anker, im Magnetfeld gespeicherte Energie, $B$ und Energie, die durch die elektrische Widerstandserwärmung der Schienen (und des Ankers) verloren geht. ⓘ

Während sich das Projektil durch den Lauf bewegt, vergrößert sich der Abstand zwischen Verschluss und Anker. Daher nehmen auch der Widerstand und die Induktivität des Laufs zu. Für ein einfaches Modell kann angenommen werden, dass der Widerstand und die Induktivität des Laufs als lineare Funktionen der Geschossposition variieren, $x$so dass diese Größen wie folgt modelliert werden ⓘ

${\begin{aligned}R&=R'x\\L&=L'x\end{aligned}}$ ⓘ

wobei $R'$ ist der Widerstand pro Längeneinheit und $L'$ die Induktivität pro Längeneinheit bzw. der Induktivitätsgradient ist. Daraus folgt, dass ⓘ

${\frac {\mathrm {d} (LI)}{\mathrm {d} t}}=I{\frac {\mathrm {d} L}{\mathrm {d} t}}+L{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}=L'I{\frac {\mathrm {d} x}{\mathrm {d} t}}+L'x{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}=IL'v+L'x{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}$ ⓘ

wobei ${\mathrm {d} x}/{\mathrm {d} t}$ die alles entscheidende Projektilgeschwindigkeit ist, $v$. Dann ⓘ

$V=IL'v+L'x{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}+IR'x=I\left(L'v+R'x\right)+L'x{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}$ ⓘ

Wenn nun der Antriebsstrom konstant gehalten wird, ist der ${\mathrm {d} I}/{\mathrm {d} t}$ Term gleich Null. Die ohmschen Verluste entsprechen nun einem Leistungsfluss $I^{2}R'x$, während der Leistungsfluss $I^{2}L'v$ die geleistete elektromagnetische Arbeit darstellt. ⓘ

Dieses einfache Modell sagt voraus, dass genau die Hälfte der elektromagnetischen Arbeit verwendet wird, um Energie im Magnetfeld entlang des Zylinders zu speichern, $L'xI^{2}/2$, wenn die Länge der Stromschleife zunimmt. ⓘ

Die andere Hälfte der elektromagnetischen Arbeit stellt den nützlicheren Energiefluss dar - in Form der kinetischen Energie des Geschosses. Da Leistung als Kraft mal Geschwindigkeit ausgedrückt werden kann, zeigt dies, dass die Kraft auf den Railgun-Anker gegeben ist durch ⓘ

$F={\frac {L'I^{2}}{2}}$ ⓘ

Diese Gleichung zeigt auch, dass für hohe Beschleunigungen sehr hohe Ströme erforderlich sind. Bei einer idealen Railgun mit quadratischer Bohrung und einer Umdrehung beträgt der Wert von $L'$ etwa 0,6 Mikro-Henries pro Meter (μH/m), aber die meisten praktischen Railgun-Läufe weisen niedrigere Werte von $L'$ als diesen Wert. Die Maximierung des Induktivitätsgradienten ist nur eine der Herausforderungen, denen sich die Konstrukteure von Railgun-Rohren stellen müssen. ⓘ

Da das Modell der pauschalen Schaltung die Railgun-Kraft in Form von relativ normalen Schaltungsgleichungen beschreibt, ist es möglich, ein einfaches Zeitbereichsmodell einer Railgun zu erstellen. Ohne Berücksichtigung von Reibung und Luftwiderstand ist die Projektilbeschleunigung gegeben durch ⓘ

${\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}={\frac {L'I^{2}}{2m}}$ ⓘ

wobei m die Masse des Geschosses ist. Die Bewegung entlang des Laufs ist gegeben durch ⓘ

${\frac {\mathrm {d} x}{\mathrm {d} t}}=v$ ⓘ

und die obigen Spannungs- und Stromterme können in die entsprechenden Schaltungsgleichungen eingesetzt werden, um die zeitliche Veränderung von Strom und Spannung zu bestimmen. ⓘ

Die Lehrbuchformel für die Hochfrequenzinduktivität pro Längeneinheit eines Paares paralleler Runddrähte mit dem Radius r und dem axialen Abstand d lautet:

$L'={\frac {\mu _{0}}{\pi }}\ln \left({\frac {d-r}{r}}\right)$ ⓘ

Das Modell mit pauschalen Parametern sagt also auch die Kraft für diesen Fall voraus:

$F={\frac {L'I^{2}}{2}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{2\pi }}\ln \left({\frac {d-r}{r}}\right).$ ⓘ

Bei praktischen Railgun-Geometrien können viel genauere zwei- oder dreidimensionale Modelle der Schienen- und Ankerstromverteilungen (und der zugehörigen Kräfte) berechnet werden, z. B. durch die Verwendung von Finite-Elemente-Methoden zur Lösung von Formeln, die entweder auf dem skalaren magnetischen Potenzial oder dem magnetischen Vektorpotenzial basieren. ⓘ

Überlegungen zur Konstruktion

Das Netzteil muss in der Lage sein, große Ströme zu liefern, die über einen nützlichen Zeitraum hinweg aufrechterhalten und kontrolliert werden. Der wichtigste Maßstab für die Effektivität eines Netzteils ist die Energie, die es liefern kann. Im Dezember 2010 betrug die höchste bekannte Energie, die für den Antrieb eines Railgun-Projektils verwendet wurde, 33 Megajoule. Die gängigsten Formen von Stromversorgungen für Railguns sind Kondensatoren und Kompulsatoren, die langsam von anderen kontinuierlichen Energiequellen aufgeladen werden. ⓘ

Die Schienen müssen während des Schießens enormen Abstoßungskräften standhalten, und diese Kräfte neigen dazu, sie auseinander und weg vom Projektil zu drücken. Wenn sich der Abstand zwischen Schiene und Projektil vergrößert, kommt es zu Lichtbögen, die eine schnelle Verdampfung und umfangreiche Schäden an den Schienenoberflächen und den Isolatoroberflächen verursachen. Dies führte dazu, dass einige frühe Forschungs-Railguns nur einen Schuss pro Betriebsintervall abgeben konnten. ⓘ

Die Induktivität und der Widerstand der Schienen und der Stromversorgung begrenzen die Effizienz einer Railgun-Konstruktion. Derzeit werden verschiedene Schienenformen und Railgun-Konfigurationen getestet, vor allem von der US-Marine (Naval Research Laboratory), dem Institute for Advanced Technology an der University of Texas in Austin und BAE Systems. ⓘ

Verwendete Materialien

Die Schienen und Geschosse müssen aus stark leitfähigen Materialien bestehen; die Schienen müssen der Gewalt eines beschleunigenden Geschosses und der Erhitzung durch die großen Ströme und die Reibung standhalten. Einige irrtümliche Arbeiten legen nahe, dass die Rückstoßkraft bei Railguns umgelenkt oder eliminiert werden kann; eine sorgfältige theoretische und experimentelle Analyse zeigt, dass die Rückstoßkraft auf den Verschluss wirkt, genau wie bei einer chemischen Waffe. Die Schienen stoßen sich außerdem durch eine seitliche Kraft ab, die dadurch entsteht, dass die Schienen durch das Magnetfeld gedrückt werden, genau wie das Projektil. Die Schienen müssen dies aushalten, ohne sich zu verbiegen, und müssen sehr sicher befestigt sein. Aus den derzeit veröffentlichten Materialien geht hervor, dass noch große Fortschritte in der Materialwissenschaft gemacht werden müssen, bevor Schienen entwickelt werden können, mit denen Railguns mehr als ein paar Schüsse mit voller Kraft abgeben können, bevor die Schienen ausgetauscht werden müssen. ⓘ

Das größte Problem bei der Konstruktion liegt in dem erforderlichen Energiespeicher, welcher kurzzeitig eine Leistung von mehreren Megawatt bis ca. 1 Gigawatt liefern muss. Verwendet werden hierfür unter anderem starke Kondensatoren. Dies macht die Waffe sehr schwer. Zurzeit sind elektromagnetische Waffen noch mindestens genauso schwer wie konventionelle mit gleicher Feuerkraft. ⓘ

Innerhalb der Erdatmosphäre kann das Geschoss aufgrund der Reibungshitze verglühen. ⓘ

Wärmeableitung

Bei den derzeitigen Konstruktionen entstehen durch die durch die Schienen fließende Elektrizität sowie durch die Reibung des das Gerät verlassenden Geschosses enorme Wärmemengen. Dies führt zu drei Hauptproblemen: Schmelzen der Ausrüstung, Beeinträchtigung der Sicherheit des Personals und Erkennung durch feindliche Kräfte aufgrund der erhöhten Infrarotsignatur. Wie bereits kurz erwähnt, erfordern die beim Abfeuern dieser Art von Geräten auftretenden Belastungen ein extrem hitzebeständiges Material. Andernfalls würden die Schienen, der Lauf und alle daran befestigten Geräte schmelzen oder irreparabel beschädigt werden. ⓘ

In der Praxis sind die bei den meisten Railgun-Konstruktionen verwendeten Schienen bei jedem Abschuss der Erosion ausgesetzt. Außerdem können die Projektile bis zu einem gewissen Grad abgetragen werden, was die Lebensdauer der Railgun in einigen Fällen stark einschränken kann. ⓘ

Anwendungen

Railguns haben eine Reihe potenzieller praktischer Anwendungen, vor allem im militärischen Bereich. Es gibt jedoch auch andere theoretische Anwendungen, die derzeit erforscht werden. ⓘ

Start oder Starthilfe für Raumfahrzeuge

Die elektrodynamische Unterstützung beim Start von Raketen wurde untersucht. Weltraumanwendungen dieser Technologie würden wahrscheinlich speziell geformte elektromagnetische Spulen und supraleitende Magnete erfordern. Für diese Anwendung würden wahrscheinlich Verbundwerkstoffe verwendet werden. ⓘ

Für Weltraumstarts von der Erde aus wären bei relativ kurzen Beschleunigungsstrecken (weniger als ein paar Kilometer) sehr starke Beschleunigungskräfte erforderlich, die höher sind, als der Mensch sie ertragen kann. Andere Entwürfe umfassen eine längere spiralförmige Bahn oder eine große Ringkonstruktion, bei der ein Raumfahrzeug den Ring mehrmals umkreist und allmählich an Geschwindigkeit gewinnt, bevor es in einen Startkorridor in den Himmel entlassen wird. Wenn es technisch machbar und kosteneffizient zu bauen ist, könnte jedoch ein Projektil, das auf Meereshöhe startet, wo die Atmosphäre am dichtesten ist, durch den Luftwiderstand einen großen Teil der Startgeschwindigkeit verlieren, wenn es mit Überlichtgeschwindigkeit gestartet wird. Darüber hinaus könnte das Projektil immer noch eine Form der bordseitigen Lenkung und Steuerung benötigen, um einen nützlichen Orbitaleinflugwinkel zu erreichen, der allein aufgrund des Höhenwinkels der Trägerrakete gegenüber der Erdoberfläche nicht möglich ist (siehe praktische Überlegungen zur Fluchtgeschwindigkeit). ⓘ

Im Jahr 2003 skizzierte Ian McNab einen Plan, um diese Idee in eine realisierte Technologie zu verwandeln. Aufgrund der starken Beschleunigung würde dieses System nur robuste Materialien wie Lebensmittel, Wasser und - am wichtigsten - Treibstoff transportieren. Unter idealen Bedingungen (Äquator, Gebirge, Richtung Osten) würde das System 528 $/kg kosten, verglichen mit 5.000 $/kg bei einer herkömmlichen Rakete. Die McNab-Railgun könnte etwa 2000 Starts pro Jahr durchführen, was einer Gesamtmenge von maximal 500 Tonnen pro Jahr entspricht. Da die Startbahn 1,6 km lang ist, wird die Energieversorgung über ein verteiltes Netz von 100 rotierenden Maschinen (Compulsator) erfolgen, die entlang der Bahn verteilt sind. Jede Maschine hätte einen 3,3 Tonnen schweren Kohlefaserrotor, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht. Eine Maschine kann innerhalb weniger Stunden mit 10 MW Leistung aufgeladen werden. Diese Maschine könnte von einem eigenen Generator versorgt werden. Das gesamte Startpaket würde fast 1,4 Tonnen wiegen. Die Nutzlast pro Start beträgt unter diesen Bedingungen über 400 kg. Das Magnetfeld würde im Betrieb 5 T betragen - die Hälfte davon käme von den Schienen, die andere Hälfte von den Verstärkungsmagneten. Dadurch halbiert sich der erforderliche Strom durch die Schienen, was die Leistung um das Vierfache reduziert. ⓘ

Die NASA hat vorgeschlagen, eine Railgun zu verwenden, um "keilförmige Flugzeuge mit Scramjets" mit Mach 10 in große Höhen zu schießen, wo sie dann eine kleine Nutzlast mit einem herkömmlichen Raketenantrieb in die Umlaufbahn befördern würden. Die extremen Beschleunigungskräfte, die bei einem direkten Railgun-Start in den Weltraum auftreten, könnten die Verwendung auf die stabilsten Nutzlasten beschränken. Alternativ können auch sehr lange Schienensysteme verwendet werden, um die erforderliche Startbeschleunigung zu verringern. ⓘ

Waffensysteme

Zeichnungen der Projektile der Elektrokanone ⓘ

Elektromagnetische Railgun im Naval Surface Warfare Center ⓘ

Railguns werden als Waffen mit Projektilen erforscht, die keine Sprengstoffe oder Treibladungen enthalten, aber extrem hohe Geschwindigkeiten erreichen: 2.500 m/s (8.200 ft/s) (etwa Mach 7 auf Meereshöhe) oder mehr. Zum Vergleich: Das M16-Gewehr hat eine Mündungsgeschwindigkeit von 930 m/s (3.050 ft/s), und die 16-Zoll/50-Kaliber Mark 7-Kanone, die im Zweiten Weltkrieg amerikanische Kriegsschiffe bewaffnete, hat eine Mündungsgeschwindigkeit von 760 m/s (2.490 ft/s), die aufgrund ihrer viel größeren Geschossmasse (bis zu 2.700 Pfund) eine Mündungsenergie von 360 MJ und eine kinetische Aufprallenergie von über 160 MJ erzeugt (siehe auch Projekt HARP). Durch das Abfeuern kleinerer Geschosse mit extrem hohen Geschwindigkeiten können Railguns eine kinetische Energie erzeugen, die der zerstörerischen Energie von 5"/54 Kaliber Mark 45 Naval Guns (die an der Mündung bis zu 10 MJ erreichen) entspricht oder diese sogar übertrifft, jedoch mit einer größeren Reichweite. Dies verringert die Größe und das Gewicht der Munition, so dass mehr Munition mitgeführt werden kann und die Gefahren des Mitführens von Sprengstoffen oder Treibladungen in einem Panzer oder einer Marinewaffenplattform entfallen. Außerdem können Railguns durch das Abfeuern aerodynamischerer, stromlinienförmigerer Geschosse mit höherer Geschwindigkeit eine größere Reichweite, eine kürzere Zeit bis zum Ziel und bei kürzeren Entfernungen eine geringere Winddrift erzielen und so die physikalischen Grenzen herkömmlicher Feuerwaffen umgehen: "Die Grenzen der Gasausdehnung verbieten es, ein ungestütztes Projektil mit einer Geschwindigkeit von mehr als 1,5 km/s und einer Reichweite von mehr als 80 km von einem praktischen konventionellen Waffensystem abzuschießen. ⓘ

Die derzeitigen Railgun-Technologien erfordern ein langes und schweres Rohr, aber die Ballistik einer Railgun übertrifft herkömmliche Kanonen gleicher Rohrlänge bei weitem. Railguns können auch Schäden im Wirkungsbereich verursachen, indem sie eine Sprengladung im Projektil zünden, die einen Schwarm kleinerer Projektile über einen großen Bereich freisetzt. ⓘ

Unter der Annahme, dass die zahlreichen technischen Herausforderungen, denen sich einsatzfähige Railguns gegenübersehen, überwunden werden, darunter Fragen wie die Projektilführung, die Ausdauer der Schiene, die Überlebensfähigkeit im Kampf und die Zuverlässigkeit der Stromversorgung, könnten die höheren Abschussgeschwindigkeiten von Railguns in einer Vielzahl von Angriffs- und Verteidigungsszenarien Vorteile gegenüber konventionellen Geschützen bieten. Railguns haben ein begrenztes Potenzial, sowohl gegen Boden- als auch gegen Luftziele eingesetzt zu werden. ⓘ

Das erste für die Produktion vorgesehene waffenfähige Railgun, das General Atomics Blitzer-System, wurde im September 2010 in einem vollständigen Systemtest getestet. Die Waffe verschießt ein von Boeing Phantom Works entwickeltes stromlinienförmiges Wurfgeschoss mit einer Geschwindigkeit von 1.600 m/s (ca. Mach 5) und einer Beschleunigung von über 60.000 gn. Bei einem der Tests konnte das Geschoss nach dem Durchschlagen einer 3,2 mm dicken Stahlplatte eine weitere Strecke von 7 km zurücklegen. Das Unternehmen hofft, bis 2016 eine integrierte Demonstration des Systems vorführen zu können, gefolgt von einer Produktion bis 2019, vorbehaltlich der Finanzierung. Bislang ist das Projekt selbstfinanziert. ⓘ

Im Oktober 2013 stellte General Atomics eine landgestützte Version der Blitzer-Railgun vor. Ein Vertreter des Unternehmens erklärte, das Geschütz könnte in "zwei bis drei Jahren" produktionsreif sein. ⓘ

Railguns werden für den Einsatz als Flugabwehrwaffen geprüft, um neben der Bombardierung zu Lande auch Bedrohungen aus der Luft, insbesondere Anti-Schiffs-Marschflugkörper, abzufangen. Ein Überschall-Marschflugkörper kann in 20 Meilen Entfernung von einem Kriegsschiff über dem Horizont auftauchen, so dass einem Schiff nur eine sehr kurze Reaktionszeit bleibt, um ihn abzufangen. Selbst wenn konventionelle Abwehrsysteme schnell genug reagieren, sind sie teuer und es kann nur eine begrenzte Anzahl großer Abfangjäger mitgeführt werden. Ein Railgun-Projektil kann die mehrfache Schallgeschwindigkeit schneller erreichen als eine Rakete; daher kann es ein Ziel, z. B. einen Marschflugkörper, viel schneller und weiter entfernt vom Schiff treffen. Außerdem sind die Geschosse in der Regel viel billiger und kleiner, so dass sie in größerer Zahl mitgeführt werden können (sie haben keine Leitsysteme und sind darauf angewiesen, dass die Railgun ihre kinetische Energie liefert, anstatt sie selbst aufzubringen). Die Geschwindigkeit, die Kosten und die numerischen Vorteile von Railgun-Systemen könnten es ihnen ermöglichen, mehrere verschiedene Systeme im derzeitigen mehrschichtigen Verteidigungskonzept zu ersetzen. Ein Railgun-Projektil ohne die Fähigkeit, den Kurs zu ändern, kann schnell fliegende Flugkörper in einer maximalen Reichweite von 30 nmi (35 mi; 56 km) treffen. Wie beim Phalanx-CIWS sind auch bei ungelenkten Railgun-Geschossen mehrere Schüsse erforderlich, um manövrierfähige Überschall-Anti-Schiffsraketen abzuschießen, wobei die Trefferwahrscheinlichkeit umso größer ist, je näher die Rakete kommt. Die Marine plant, dass Railguns in der Lage sein sollen, ballistische Raketen in der Endatmosphäre, getarnte Bedrohungen aus der Luft, Überschallraketen und schwärmende Überwasserbedrohungen abzufangen; ein Prototypsystem zur Unterstützung von Abfangeinsätzen soll bis 2018 fertiggestellt und bis 2025 einsatzbereit sein. Dieser Zeitrahmen deutet darauf hin, dass die Waffen auf den Überwasserkampfflugzeugen der nächsten Generation der Marine installiert werden sollen, deren Bau bis 2028 beginnen soll. ⓘ

BAE Systems war schon einmal daran interessiert, Railguns in sein Future Fighting Vehicle einzubauen. ⓘ

Indien hat sein eigenes Railgun erfolgreich getestet. Russland, China, die türkischen Unternehmen ASELSAN und Yeteknoloji entwickeln ebenfalls Railguns. ⓘ

Helikopter-Railgun

Helical Railguns sind Railguns mit mehreren Windungen, die den Schienen- und Bürstenstrom um einen Faktor reduzieren, der der Anzahl der Windungen entspricht. Zwei Schienen sind von einem schraubenförmigen Lauf umgeben, und das Projektil oder der wiederverwendbare Träger ist ebenfalls schraubenförmig. Das Projektil wird von zwei Bürsten, die entlang der Schienen gleiten, kontinuierlich erregt, und zwei oder mehr zusätzliche Bürsten auf dem Projektil dienen dazu, mehrere Windungen des schraubenförmigen Rohrs vor und/oder hinter dem Projektil zu erregen und umzuschalten. Die Helical Railgun ist eine Kreuzung zwischen einer Railgun und einer Coilgun. Es gibt sie derzeit noch nicht in einer praktischen, brauchbaren Form. ⓘ

Eine Helical Railgun wurde 1980 am MIT gebaut und wurde von mehreren Bänken mit für die damalige Zeit großen Kondensatoren (etwa 4 Farad) angetrieben. Sie war etwa 3 m lang und bestand aus einer 2 m langen Beschleunigungsspule und einer 1 m langen Verzögerungsspule. Sie konnte einen Gleiter oder ein Projektil etwa 500 Meter weit schießen. ⓘ

Plasma-Railgun

Eine Plasma-Railgun ist ein Linearbeschleuniger und eine Plasma-Energiewaffe, die wie eine Projektil-Railgun zwei lange parallele Elektroden zur Beschleunigung eines "gleitenden kurzen" Ankers verwendet. Bei einer Plasma-Railgun bestehen der Anker und das ausgeworfene Projektil jedoch aus Plasma, d. h. aus heißen, ionisierten, gasähnlichen Teilchen, und nicht aus einem festen Geschoss. MARAUDER (Magnetically Accelerated Ring to Achieve Ultra-high Directed Energy and Radiation) ist bzw. war ein Projekt des United States Air Force Research Laboratory zur Entwicklung einer koaxialen Plasma-Railgun. Es ist eines von mehreren Bemühungen der US-Regierung, plasmabasierte Geschosse zu entwickeln. Die ersten Computersimulationen fanden 1990 statt, und das erste veröffentlichte Experiment erschien am 1. August 1993. Im Jahr 1993 befand sich das Projekt offenbar noch in der frühen Experimentierphase. Die Waffe war in der Lage, donutförmige Plasmaringe und Blitzkugeln zu erzeugen, die beim Auftreffen auf ihr Ziel mit verheerender Wirkung explodierten. Der anfängliche Erfolg des Projekts führte dazu, dass es als geheim eingestuft wurde und nach 1993 nur noch wenige Hinweise auf MARAUDER erschienen. ⓘ

Tests

Diagramm mit dem Querschnitt einer Linearmotor-Kanone ⓘ

Es wurden bereits Modelle in Originalgröße gebaut und abgefeuert, darunter eine von der amerikanischen DARPA entwickelte Kanone mit 90 mm Bohrung und 9 Megajoule kinetischer Energie. Die Probleme mit dem Verschleiß von Schienen und Isolatoren müssen noch gelöst werden, bevor Railguns herkömmliche Waffen ersetzen können. Das wahrscheinlich älteste, durchweg erfolgreiche System wurde von der britischen Defence Research Agency auf der Dundrennan Range in Kirkcudbright, Schottland, gebaut. Dieses System wurde 1993 eingerichtet und ist seit über 10 Jahren in Betrieb. ⓘ

Das jugoslawische Institut für Militärtechnik entwickelte 1985 im Rahmen eines Projekts namens EDO-0 eine Railgun mit 7 kJ kinetischer Energie. Im Jahr 1987 wurde das Nachfolgeprojekt EDO-1 entwickelt, das mit einem Projektil von 0,7 kg Masse Geschwindigkeiten von 3.000 m/s und mit einer Masse von 1,1 kg Geschwindigkeiten von 2.400 m/s erreichte. Sie verwendete eine Schienenlänge von 0,7 m (2,3 ft). Nach Angaben der Entwickler konnte sie mit weiteren Modifikationen eine Geschwindigkeit von 4.500 m/s (14.800 ft/s) erreichen. Ziel war es, eine Geschossgeschwindigkeit von 7.000 m/s zu erreichen. ⓘ

China ist heute einer der wichtigsten Akteure auf dem Gebiet der elektromagnetischen Trägerraketen und war 2012 Gastgeber des 16. internationalen Symposiums über elektromagnetische Starttechnologie (EML 2012) in Peking. Satellitenbilder deuteten Ende 2010 darauf hin, dass auf einem Panzer- und Artillerieschießplatz in der Nähe von Baotou in der Autonomen Region Innere Mongolei Tests durchgeführt wurden. ⓘ

Streitkräfte der Vereinigten Staaten

Das Militär der Vereinigten Staaten hat im späten 20. Jahrhundert sein Interesse an der Erforschung der Elektrogeschütztechnologie bekundet, da elektromagnetische Geschütze im Gegensatz zu konventionellen Geschützsystemen keine Treibladungen benötigen, um einen Schuss abzugeben, was die Sicherheit der Besatzung erheblich erhöht und die Logistikkosten senkt, und außerdem eine größere Reichweite bietet. Darüber hinaus haben Railgun-Systeme gezeigt, dass sie eine höhere Projektilgeschwindigkeit ermöglichen, was die Genauigkeit bei der Panzerabwehr, der Artillerie und der Luftverteidigung erhöhen würde, da die Zeit, die das Projektil benötigt, um sein Ziel zu erreichen, verkürzt wird. In den frühen 1990er Jahren investierte die US-Armee mehr als 150 Millionen Dollar in die Erforschung elektrischer Waffen. Am Zentrum für Elektromechanik der University of Texas in Austin wurden militärische Railguns entwickelt, die panzerbrechende Wolframgeschosse mit einer kinetischen Energie von neun Megajoule (9 MJ) abfeuern können. Neun Megajoule sind genug Energie, um ein 2 kg schweres Projektil mit einer Geschwindigkeit von 3 km/s abzufeuern - bei dieser Geschwindigkeit könnte ein ausreichend langer Stab aus Wolfram oder einem anderen dichten Metall einen Panzer leicht durchdringen und möglicherweise durch ihn hindurchgehen (siehe APFSDS). ⓘ

Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division

Das United States Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division demonstrierte im Oktober 2006 eine 8-MJ-Railgun, die 3,2 kg schwere Geschosse abfeuert, als Prototyp einer 64-MJ-Waffe, die an Bord von Kriegsschiffen der Marine eingesetzt werden soll. Das Hauptproblem, das die US-Marine bei der Einführung eines Railgun-Kanonensystems hatte, besteht darin, dass die Kanonen aufgrund des immensen Drucks, der Belastungen und der Hitze, die durch die Millionen Ampere Stromstärke erzeugt werden, die zum Abfeuern von Geschossen mit Megajoule Energie erforderlich sind, verschleißen. Diese Waffen sind zwar nicht annähernd so leistungsfähig wie ein Marschflugkörper wie ein BGM-109 Tomahawk, der 3.000 MJ Energie auf ein Ziel abfeuert, würden es der Marine aber theoretisch ermöglichen, zu einem Bruchteil der Kosten eines Flugkörpers eine größere Feuerkraft zu entfalten, und wären im Vergleich zu künftigen Verteidigungssystemen viel schwerer abzuschießen. Ein weiterer relevanter Vergleich ist die 120-mm-Kanone von Rheinmetall, die auf Kampfpanzern zum Einsatz kommt und eine Mündungsenergie von 9 MJ erzeugt. ⓘ

Im Jahr 2007 lieferte BAE Systems einen Prototyp mit 32 MJ (Mündungsenergie) an die US-Marine. Die gleiche Energiemenge wird bei der Detonation von 4,8 kg (11 lb) C4 freigesetzt. ⓘ

Am 31. Januar 2008 testete die U.S. Navy eine Railgun, die ein Projektil mit 10,64 MJ und einer Mündungsgeschwindigkeit von 2.520 m/s abfeuerte. Die Energieversorgung erfolgte durch eine neue 9-Megajoule-Prototyp-Kondensatorbank mit Festkörperschaltern und Kondensatoren hoher Energiedichte, die 2007 geliefert wurde, sowie durch ein älteres 32-MJ-Impulsenergiesystem aus der Green Farm Electric Gun Research and Development Facility der US-Armee, das in den späten 1980er Jahren entwickelt und zuvor von der General Atomics Electromagnetic Systems (EMS) Division überholt wurde. Es wird voraussichtlich zwischen 2020 und 2025 einsatzbereit sein. ⓘ

Ein Test einer Railgun wurde am 10. Dezember 2010 von der U.S. Navy im Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division durchgeführt. Bei diesem Test stellte das Office of Naval Research einen Weltrekord auf, indem es einen 33-MJ-Schuss aus der von BAE Systems gebauten Railgun abgab. ⓘ

Ein weiterer Test fand im Februar 2012 im Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division statt. Die Energie der Railgun war ähnlich wie bei dem vorgenannten Test, aber die verwendete Railgun war wesentlich kompakter und hatte einen konventionelleren Lauf. Ein von General Atomics gebauter Prototyp wurde im Oktober 2012 für Tests geliefert. ⓘ

Externes Video ⓘ
Zusätzliches Filmmaterial
Test vom Februar 2012

Im Jahr 2014 hatte die US-Marine Pläne, bis 2016 eine Railgun mit einer Reichweite von über 160 km auf einem Schiff zu integrieren. Diese Waffe hatte zwar einen für ein Marinegeschütz typischeren Formfaktor, sollte aber weitgehend dieselben Komponenten verwenden wie die in Dahlgren entwickelten und demonstrierten. Die Hochgeschwindigkeitsgeschosse wiegen 10 kg, haben eine Länge von 460 mm (18 Zoll) und werden mit Mach 7 verschossen. ⓘ

Ein künftiges Ziel ist die Entwicklung selbstgelenkter Geschosse - eine notwendige Voraussetzung, um weit entfernte Ziele zu treffen oder Raketen abzufangen. Wenn die gelenkten Geschosse entwickelt sind, rechnet die Marine mit Kosten von etwa 25.000 Dollar pro Geschoss, obwohl die Entwicklung gelenkter Geschosse für Geschütze in der Vergangenheit die anfänglichen Kostenschätzungen verdoppelt oder verdreifacht hat. Einige von der Navy entwickelte Hochgeschwindigkeitsgeschosse verfügen über eine Befehlssteuerung, aber die Genauigkeit der Befehlssteuerung ist nicht bekannt, und es ist nicht einmal bekannt, ob sie einen Schuss mit voller Kraft überleben kann. ⓘ

Die einzigen Schiffe der US-Marine, die genügend Strom erzeugen können, um die gewünschte Leistung zu erzielen, sind die drei Zerstörer der Zumwalt-Klasse (DDG-1000-Serie); sie können 78 Megawatt Strom erzeugen, mehr als für den Antrieb eines Railguns erforderlich ist. Die Zumwalt wurde jedoch gestrichen, und es werden keine weiteren Einheiten mehr gebaut. Ingenieure arbeiten daran, Technologien, die für die Schiffe der DDG-1000-Serie entwickelt wurden, in ein Batteriesystem zu überführen, damit auch andere Kriegsschiffe eine Railgun betreiben können. Ab 2014 können die meisten Zerstörer nur noch neun Megawatt an zusätzlichem Strom entbehren, während 25 Megawatt erforderlich wären, um ein Projektil auf die gewünschte maximale Reichweite zu bringen (d. h. um 32-MJ-Projektile mit einer Geschwindigkeit von zehn Schüssen pro Minute abzuschießen). Selbst wenn Schiffe wie der Zerstörer der Arleigh-Burke-Klasse mit genügend elektrischer Leistung für den Betrieb einer Railgun aufgerüstet werden können, könnte der Platzbedarf auf den Schiffen durch die Integration eines zusätzlichen Waffensystems dazu führen, dass die vorhandenen Waffensysteme entfernt werden müssen, um Platz zu schaffen. Die ersten Tests an Bord eines Schiffes sollten mit einem Railgun durchgeführt werden, das auf einem schnellen Expeditionsschiff der Spearhead-Klasse (EPF) installiert war, doch wurde dies später durch Tests an Land ersetzt. ⓘ

Obwohl die 23 Pfund schweren Geschosse keinen Sprengstoff enthalten, haben sie dank ihrer Mach 7-Geschwindigkeit eine Energie von 32 Megajoule, doch beträgt die kinetische Aufprallenergie im Zielbereich in der Regel 50 Prozent oder weniger der Mündungsenergie. Die Marine hat neben der Bombardierung von Land auch andere Einsatzmöglichkeiten für Railguns untersucht, z. B. die Luftverteidigung; mit den richtigen Zielsystemen könnten die Geschosse Flugzeuge, Marschflugkörper und sogar ballistische Raketen abfangen. Die Marine entwickelt auch Waffen mit gerichteter Energie für die Luftverteidigung, aber es wird noch Jahre oder Jahrzehnte dauern, bis sie effektiv eingesetzt werden können. ⓘ

Die Railgun wäre Teil einer Marineflotte, die künftige Offensiv- und Defensivfähigkeiten schichtweise bereitstellt: Laser für die Nahbereichsverteidigung, Railguns für den Angriff und die Verteidigung im mittleren Bereich und Marschflugkörper für den Langstreckenangriff, wobei die Railguns Ziele in einer Entfernung von bis zu 100 Meilen abdecken, für die bisher eine Rakete erforderlich war. Die Marine wird die Railgun-Technologie möglicherweise so weiterentwickeln, dass sie auf eine Entfernung von 200 nmi (230 mi; 370 km) feuern und mit einer Energie von 64 Megajoule einschlagen kann. Für einen Schuss werden 6 Millionen Ampere Strom benötigt, so dass es lange dauern wird, Kondensatoren zu entwickeln, die genügend Energie erzeugen können, und ausreichend starke Geschützmaterialien zu entwickeln. ⓘ

Die vielversprechendste kurzfristige Anwendung für waffenfähige Railguns und elektromagnetische Geschütze im Allgemeinen ist wahrscheinlich die Verwendung an Bord von Marineschiffen, die über genügend freie Stromerzeugungskapazität und Batteriespeicherplatz verfügen. Im Gegenzug könnte die Überlebensfähigkeit von Schiffen durch eine vergleichbare Verringerung der Mengen an potenziell gefährlichen chemischen Treibstoffen und Sprengstoffen verbessert werden. Die Bodentruppen könnten jedoch feststellen, dass die Unterbringung einer zusätzlichen Stromversorgung auf dem Gefechtsfeld für jedes Waffensystem nicht so gewichts- und raumeffizient, überlebensfähig oder eine praktische Quelle für unmittelbare Energie zum Abschuss von Geschossen ist wie herkömmliche Treibladungen, die sicher hinter den Linien hergestellt und verpackt über ein robustes und verteiltes Logistiksystem an die Waffe geliefert werden. ⓘ

Im Juli 2017 berichtete Defensetech, dass die Marine den Prototyp der Railgun des Office of Naval Research von einem wissenschaftlichen Experiment in den Bereich der nützlichen Waffen bringen wollte. Das Ziel, so Tom Beutner, Leiter der Abteilung Naval Air Warfare and Weapons des ONR, waren zehn Schüsse pro Minute mit 32 Megajoule. Ein 32-Megajoule-Railgun-Schuss entspricht etwa 23.600.000 foot-pounds, d.h. ein einziger 32-MJ-Schuss hat die gleiche Mündungsenergie wie etwa 200.000 gleichzeitig abgefeuerte .22er-Patronen. In konventionellen Leistungseinheiten entspricht ein 32-MJ-Schuss alle 6 Sekunden einer Nettoleistung von 5,3 MW (oder 5300 kW). Wenn man davon ausgeht, dass die Railgun bei der Umwandlung von elektrischer Energie in kinetische Energie einen Wirkungsgrad von 20 % hat, muss die Stromversorgung des Schiffes etwa 25 MW bereitstellen, solange der Schuss abgegeben wird. ⓘ

Bis 2020 hatte die Marine über 17 Jahre hinweg 500 Millionen Dollar für die Entwicklung von Railguns ausgegeben. Die Marine konzentrierte sich auf das Abfeuern von Hyperschallgeschossen aus bereits vorhandenen konventionellen Geschützen, die in großer Zahl vorhanden waren. Am 1. Juni 2021 berichtete The Drive, dass im Haushaltsplan der US-Marine für das Jahr 2022 keine Mittel für die Forschung und Entwicklung von Railguns vorgesehen waren. Die technischen Herausforderungen konnten nicht bewältigt werden, wie z. B. die massiven Kräfte beim Abfeuern, die den Lauf nach nur einem oder zwei Dutzend Schüssen abnutzen, und eine zu geringe Feuerrate, um für die Raketenabwehr nützlich zu sein. Auch die Prioritäten hatten sich seit Beginn der Railgun-Entwicklung geändert: Die Marine konzentrierte sich mehr auf Hyperschallraketen mit größerer Reichweite als auf Railgun-Geschosse mit vergleichsweise geringerer Reichweite. ⓘ

Forschungslabor der Armee

Die Forschung an der Railgun-Technologie war in den 1980er Jahren ein wichtiger Schwerpunkt des Ballistic Research Laboratory (BRL). Neben der Analyse der Leistung und der elektrodynamischen und thermodynamischen Eigenschaften von Railguns in anderen Einrichtungen (wie der CHECMATE-Railgun der Maxwell Laboratories) beschaffte das BRL eigene Railguns für Studien, wie z. B. seine Ein-Meter-Railgun und seine Vier-Meter-Railgun. 1984 entwickelten die BRL-Forscher eine Technik zur Analyse der Rückstände, die nach einem Schuss auf der Oberfläche des Laufs zurückblieben, um die Ursache für die fortschreitende Verschlechterung des Laufs zu untersuchen. 1991 ermittelten sie die Eigenschaften, die für die Entwicklung eines wirksamen Abschusspakets erforderlich sind, sowie die Konstruktionskriterien, die für ein Railgun mit gerippten Langstabgeschossen notwendig sind. ⓘ

Die Forschung an Railguns wurde fortgesetzt, nachdem das Ballistic Research Laboratory 1992 mit sechs anderen unabhängigen Armeelabors zum U.S. Army Research Laboratory (ARL) zusammengelegt worden war. Eines der wichtigsten Projekte in der Railgun-Forschung, an dem das ARL beteiligt war, war das Cannon-Caliber Electromagnetic Gun (CCEMG)-Programm, das am Center for Electromechanics der University of Texas (UT-CEM) stattfand und vom U.S. Marine Corps und dem U.S. Army Armament Research Development and Engineering Center gefördert wurde. Im Rahmen des CCEMG-Programms entwarf und entwickelte das UT-CEM 1995 den Cannon-Caliber Electromagnetic Launcher, einen Schnellfeuer-Railgun-Werfer. Der mit einem 30-mm-Rundrohr ausgestattete Werfer war in der Lage, drei Fünf-Schuss-Salven von 185-g-Abschusspaketen mit einer Mündungsgeschwindigkeit von 1850 m/s und einer Feuerrate von 5 Hz abzufeuern. Der Schnellfeuerbetrieb wurde durch den Antrieb des Werfers mit mehreren 83544 Spitzenimpulsen erreicht, die vom CCEMG-Kompulsator geliefert wurden. Die CCEMG-Railgun verfügte über mehrere Merkmale: Keramikseitenwände, gerichtete Vorspannung und Flüssigkeitskühlung. ARL war für die Bewertung der Leistung der Rakete verantwortlich, die in der ARL Transonic Experimental Facility in Aberdeen Proving Ground, MD, getestet wurde. ⓘ

Das U.S. Army Research Laboratory überwachte auch die Entwicklung der elektromagnetischen und elektrothermischen Geschütztechnologie am Institute for Advanced Technology (IAT) an der University of Texas in Austin, einem der fünf Universitäts- und Industrielabors, die das ARL zur Beschaffung technischer Unterstützung zusammengeschlossen hatte. Es beherbergte die beiden elektromagnetischen Abschussgeräte, den Leander OAT und den AugOAT, sowie das mittelkalibrige Abschussgerät. Die Einrichtung verfügte auch über ein Stromversorgungssystem mit dreizehn 1-MJ-Kondensatorbänken, eine Reihe von elektromagnetischen Abschussgeräten und Diagnosegeräten. Der Schwerpunkt der Forschungstätigkeit lag auf den für elektromagnetische Trägerraketen erforderlichen Konstruktionen, Wechselwirkungen und Materialien. ⓘ

1999 führte eine Zusammenarbeit zwischen ARL und IAT zur Entwicklung einer radiometrischen Methode zur Messung der Temperaturverteilung von Railgun-Armaturen während einer gepulsten elektrischen Entladung ohne Störung des Magnetfelds. Im Jahr 2001 gelang es dem ARL erstmals, mit Hilfe von Sprungtests eine Reihe von Genauigkeitsdaten für elektromagnetisch abgeschossene Geschosse zu erhalten. Im Jahr 2004 veröffentlichten ARL-Forscher Arbeiten, in denen sie die Wechselwirkung von Hochtemperaturplasmen mit dem Ziel der Entwicklung effizienter Railgun-Zünder untersuchten. Frühe Arbeiten beschreiben die Plasma-Treibstoff-Interaktionsgruppe am ARL und ihre Versuche, die chemischen, thermischen und Strahlungseffekte von Plasmen auf herkömmliche Festtreibstoffe zu verstehen und zu unterscheiden. Mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und anderer Diagnosetechniken wurde der Einfluss von Plasmen auf bestimmte Treibstoffmaterialien im Detail untersucht. ⓘ

Volksrepublik China

China entwickelt sein eigenes Railgun-System. Einem CNBC-Bericht zufolge, der sich auf US-Geheimdienstinformationen stützt, wurde Chinas Railgun-System erstmals 2011 entdeckt, und 2014 begannen Bodentests. Im Jahr 2015 erlangte das Waffensystem die Fähigkeit, über größere Entfernungen mit erhöhter Tödlichkeit zuzuschlagen. Im Dezember 2017 wurde das Waffensystem erfolgreich auf einem Schiff der chinesischen Marine montiert, und später fanden Seeversuche statt. ⓘ

Anfang Februar 2018 wurden im Internet Bilder einer angeblichen chinesischen Railgun veröffentlicht. Auf den Bildern ist das Geschütz am Bug des Landungsschiffs Haiyangshan der Typ 072III-Klasse montiert. Die Medien legen nahe, dass das System bereits getestet wird oder bald getestet werden kann. Im März 2018 wurde berichtet, dass China bestätigt hat, dass es mit der Erprobung seiner elektromagnetischen Railgun auf See begonnen hat. ⓘ

Indien

Im November 2017 führte die indische Organisation für Forschung und Entwicklung im Verteidigungsbereich einen erfolgreichen Test einer elektromagnetischen Railgun mit quadratischem Durchlass von 12 mm durch. Es ist geplant, eine 30-mm-Version zu testen. Indien will ein ein Kilogramm schweres Projektil mit einer Geschwindigkeit von mehr als 2.000 Metern pro Sekunde abfeuern und dabei eine Kondensatorbank von 10 Megajoule verwenden. Elektromagnetische Geschütze und gerichtete Energiewaffen gehören zu den Systemen, die die indische Marine in ihrem Modernisierungsplan bis 2030 anstrebt. ⓘ

Themen

Große Schwierigkeiten

Bevor Railguns zum Einsatz kommen können, müssen noch erhebliche technologische und operative Hürden überwunden werden:

1. Haltbarkeit der Railguns: Bislang haben öffentliche Railgun-Demonstrationen noch nicht gezeigt, dass mehrere Schüsse mit voller Leistung aus demselben Schienensatz abgefeuert werden können. Die US-Marine hat jedoch behauptet, Hunderte von Schüssen aus ein und demselben Schienensatz abgeben zu können. In einer Erklärung vom März 2014 vor dem Unterausschuss "Intelligence, Emerging Threats and Capabilities" des Armed Services Committee des Repräsentantenhauses erklärte der Leiter der Marineforschung, Admiral Matthew Klunder: "Die Lebensdauer des Rohrs hat sich von einigen Dutzend Schüssen auf über 400 erhöht, und das Programm sieht vor, 1000 Schüsse zu erreichen." Das Office of Naval Research (ONR) will jedoch nicht bestätigen, dass es sich bei den 400 Schüssen um Schüsse mit voller Leistung handelt. Außerdem gibt es keine veröffentlichten Hinweise darauf, dass Railguns der Megajoule-Klasse in der Lage sind, Hunderte von Schüssen mit voller Leistung abzugeben und dabei die strengen Betriebsparameter einzuhalten, die für die präzise und sichere Abgabe von Railgun-Schüssen erforderlich sind. Railguns sollten in der Lage sein, 6 Schuss pro Minute mit einer Lebensdauer von etwa 3000 Schuss abzufeuern und dabei Abschussbeschleunigungen von Zehntausenden von g, extreme Drücke und Megaampere-Ströme zu tolerieren, was jedoch mit der derzeitigen Technologie nicht möglich ist.
2. Projektilführung: Eine zukünftige Fähigkeit, die für den Einsatz einer echten Railgun-Waffe von entscheidender Bedeutung ist, ist die Entwicklung eines robusten Lenkungssystems, das es der Railgun ermöglicht, auf weit entfernte Ziele zu schießen oder ankommende Raketen zu treffen. Die Entwicklung eines solchen Pakets ist eine echte Herausforderung. Der RFP Navy SBIR 2012.1 - Topic N121-102 der U.S. Navy für die Entwicklung eines solchen Pakets gibt einen guten Überblick darüber, wie schwierig die Projektilführung von Railguns ist:

Das Gehäuse muss in die Masse (< 2 kg), den Durchmesser (< 40 mm Außendurchmesser) und das Volumen (200 cm³) des Geschosses passen, ohne den Schwerpunkt zu verändern. Es sollte auch in der Lage sein, Beschleunigungen von mindestens 20.000 g (Schwellenwert) / 40.000 g (Ziel) in allen Achsen, hohe elektromagnetische Felder (E > 5.000 V/m, B > 2 T) und Oberflächentemperaturen von > 800 Grad Celsius zu überstehen. Das Gehäuse sollte in der Lage sein, in Gegenwart eines Plasmas zu arbeiten, das sich in der Bohrung oder am Mündungsausgang bilden kann, und muss außerdem aufgrund des Fluges in der Exoatmosphäre strahlungsgehärtet sein. Die Gesamtleistungsaufnahme muss weniger als 8 Watt (Schwellenwert)/5 Watt (Ziel) betragen, und die Batterielebensdauer muss mindestens 5 Minuten (ab dem ersten Start) betragen, um den Betrieb während des gesamten Einsatzes zu ermöglichen. Um erschwinglich zu sein, müssen die Produktionskosten pro Projektil so niedrig wie möglich sein, mit einem Ziel von weniger als 1.000 Dollar pro Einheit. ⓘ

Am 22. Juni 2015 gab General Atomics' Electromagnetic Systems bekannt, dass Projektile mit integrierter Elektronik die gesamte Abschussumgebung der Railgun überstanden und in vier aufeinanderfolgenden Tests am 9. und 10. Juni auf dem Dugway Proving Ground der US-Armee in Utah ihre vorgesehenen Funktionen erfüllten. Die Bordelektronik hat erfolgreich die Beschleunigungen im Bohrloch und die Dynamik des Geschosses über mehrere Kilometer hinweg gemessen, wobei die integrierte Datenverbindung auch nach dem Aufprall der Geschosse auf dem Wüstenboden weiter funktionierte, was für die Präzisionsführung unerlässlich ist. ⓘ

Geschichtliches

Railgun-Designdiagramm (Deutschland, 1945) ⓘ

Die erste Patentanmeldung erfolgte 1918 durch den Franzosen Louis Octave Fauchon-Villeplee. Im Zweiten Weltkrieg gab es Versuche durch deutsche und japanische Wissenschaftler, diese waren allerdings weitgehend erfolglos und wurden nach Kriegsende von den Alliierten übernommen. Obwohl schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts Versuche unternommen wurden, leistungsfähige Railguns zu entwerfen, befinden sie sich noch immer in einer Entwicklungsphase. ⓘ

In den USA wurde im Rahmen der seit dem Kalten Krieg (seit 1983 offiziell) bestehenden Strategic Defense Initiative (SDI) an der Entwicklung einer weltraumgestützten elektromagnetischen Kanone, der Space-Based Hypervelocity Railgun (SBHRG), gearbeitet. Sie sollte der Raketenabwehr und als Antisatellitenwaffe dienen. Als Energiequelle waren damals Kernreaktoren vorgesehen. ⓘ

In Deutschland wird seit den 1990er Jahren im Erprobungszentrum Unterlüß (EZU) von Rheinmetall an Railguns geforscht. Dort wurde 1994 eine 30-MJ-Anlage installiert. ⓘ

Railguns waren auch als Antriebsmethode für die Raumfahrt im Gespräch. ⓘ

Neben Militärs gibt es eine private Hobby-Gemeinde, die sich mit der Konstruktion von Railguns befasst. Diese Projekte arbeiten meist mit Graphit-Projektilen, um die Gleiteigenschaften bei den auftretenden hohen Temperaturen an den Berührungspunkten zu den Schienen zu erhalten. Die erreichten Parameter haben jedoch eher den Charakter von Demonstratoren. ⓘ

Railguns in der Populärkultur

Railguns kommen in der Literatur, in Filmen und in Computerspielen vor. Der Spielfilm Eraser mit Arnold Schwarzenegger in der Hauptrolle dreht sich um fiktive Railguns als Infanteriewaffen. Im Tabletop-Spiel Warhammer 40.000 besitzt das außerirdische Volk der Tau solche Geschütze, die in der deutschen Übersetzung Massebeschleuniger genannt werden. In vielen Computerspielen kommen Railguns als Waffen vor. So zum Beispiel als Scharfschützengewehr in der Spieleserie Quake, den Ego-Shootern der Halo-Reihe oder in Call of Duty: Advanced Warfare. Im Computerspiel Metal Gear Solid hat die amerikanische Regierung im Geheimen den gewaltigen roboterartigen Kampfpanzer Metal Gear REX entwickeln lassen, der unter anderem eine Railgun trägt, die es ermöglicht, Atomsprengköpfe abzufeuern. Dieses Waffensystem soll dabei als atomare Erstschlagswaffe dienen, bei der das Abfeuern der Sprengköpfe im Gegensatz zu dem Abgasausstoß beim Start konventioneller Atomraketen nicht durch feindliche Überwachungssatelliten registriert werden kann. Railguns kommen ebenfalls in den Science-Fiction-Serien Stargate und The Expanse vor. Außerdem findet im Film Transformers – Die Rache eine Railgun als Schiffsgeschütz Verwendung. ⓘ