Le rail gun, ou plus simplement le railgun, utilise un champ magnétique alimenté par l’électricité pour accélérer un projectile. Bien que les idées de base sous-jacentes à la construction d’un canon à rails soient simples, le tir d’un projectile de canon à rails typique entraîne une force répulsive énorme. Le résultat est que
le canon à rail doit être entretenu après presque chaque tir, ce qui les rend moins pratiques que les projectiles conventionnels. Ils nécessitent également une alimentation électrique très importante, capable de fournir un million d’ampères de courant, ce qui rend difficile la création de pistolets à rail portatifs.
Un rail gun se compose de deux rails métalliques parallèles solidement ancrés, connectés à une alimentation électrique. Un projectile capable de conduire l’électricité est placé entre les rails, complétant le circuit. Étant chargés électriquement, les rails métalliques se comportent comme des électro-aimants, créant un champ magnétique qui circule autour de chaque rail. Un champ se déplace dans le sens des aiguilles d’une montre autour de son rail, l’autre dans le sens des aiguilles d’une montre, créant un champ magnétique entre les deux qui crée une force nette parallèle aux rails, loin de l’alimentation. Le projectile se comporte comme n’importe quel fil chargé dans un champ électrique, subissant une force perpendiculaire à la direction du courant et à la direction du champ magnétique. C’est ce qu’on appelle la force de Lorentz.
Lorsque le courant électrique est très fort, le projectile, subissant des forces puissantes, accélère jusqu’à l’extrémité du canon à rails opposée à l’alimentation, et sort par une ouverture. Le circuit, ainsi rompu, met fin au passage du courant électrique. Le projectile doit entrer en contact physique avec les rails lors de l’accélération. Si le projectile se déplace assez vite, le seul frottement peut sérieusement endommager voire vaporiser les rails, en l’absence de matériaux suffisamment résistants. De plus, si les rails ne sont pas solidement fixés à une surface stable, ils peuvent être séparés par de puissantes énergies à l’intérieur du canon à rails.
Plusieurs millions de dollars ont été investis dans la recherche sur les canons à rail par l’armée américaine, et de nombreux prototypes réussis ont été développés, qui possèdent des vitesses initiales très élevées, de l’ordre de 3.5 km/sec (2.17 mps), environ 3 fois plus rapides que fusils modernes. Cependant, ces conceptions nécessitent de grandes alimentations et la maintenance reste un problème. L’US Navy a exprimé son intérêt pour les canons à rail en raison de leurs munitions non explosives, mais ils ne sont pas d’usage courant. Une solution proposée au problème de l’usure des canons à rail est l’idée d’utiliser de très petits projectiles accélérés à des vitesses très élevées, une conception parfois appelée pistolet à aiguille.
Les canons ferroviaires ont également été discutés dans le contexte d’applications pacifiques telles que les voyages dans l’espace. Un canon à très long rail, ou un pilote de masse, pourrait être utilisé pour accélérer les charges utiles pour échapper à la vitesse pour des coûts beaucoup moins chers que ceux des fusées chimiques. Un inconvénient est l’investissement initial élevé requis pour construire un tel pilote de masse. Pour créer un moteur de masse qui accélère un projectile pour s’échapper à une vitesse acceptable pour les passagers humains (~ 2 gs), il faudrait un baril d’une longueur d’environ 50 km (30 miles). Une autre application potentielle des canons à rails pourrait être dans le domaine de la fusion nucléaire, où des pressions et des températures immenses sont nécessaires pour fusionner les noyaux atomiques.