대한민국 공군 KF-21 보라매 장거리 공대공 미사일 미티어(Meteor) 덕티드 램제트(Ducted Ramjet) 초음속 공기 흡입구 사각 충격파 능동 제어 및 1,000Hz 0-Alloc C# 마하 4.5+ 가변 추진 엔진

1. 2차원 초음속 쐐기 경사 충격파 및 란킨-위고니오 기체 동역학

유입 마하수 $M_1$, 흡입구 쐐기 편향각 $\theta$, 경사 충격파 각도 $\beta$ 간의 유명한 $\theta-\beta-M$ 비선형 관계식은 다음과 같습니다:

경사 충격파 통과 후 수직 마하수 $M_{n1} = M_1 \sin\beta$에 대한 정압력 상승비 $p_2 / p_1$ 및 전압력비 $p_{t2} / p_{t1}$은 란킨-위고니오 관계식을 따릅니다:

흡입구 립(Lip) 끝단에 충격파가 정확히 안착(Shock-on-Lip)할 때 공기 유량 포획률(Mass Flow Ratio)이 $1.0$으로 극대화되며, 충격파가 전방으로 밀려나면 버징 진동이 촉발됩니다.

2. 가변 핀틀 밸브 연료 유량 및 연소실 압력 서보 제어 모델

고체 보론 젤 연료 가스 발생기(Gas Generator)에서 램제트 연소실로 주입되는 연료 가스 유량 $\dot{m}_f$는 전자기 핀틀 밸브 변위 $x_{\text{pintle}}$로 조절됩니다:

공기 흡입 유량 $\dot{m}_a$와의 당량비 $\phi = \frac{(\dot{m}_f / \dot{m}_a)}{(\dot{m}_f / \dot{m}_a)_{\text{stoich}}}$를 $0.8 \sim 1.1$ 영역으로 유지하여 마하 4.5 순항 시 최적 추력을 생성합니다.

3. 1,000Hz 0-Alloc SIMD C# 미티어 램제트 흡입구 추진 제어 엔진

초음속 공중전의 극심한 압력 변동 속에서 버징을 사전에 감지하고 1밀리초 내에 핀틀 유량을 최적 변조하는 고성능 C# 구현체입니다.

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.RamjetPropulsion
{
    /// <summary>
    /// 미티어 램제트 흡입구 및 비행 마하수 텔레메트리 (Stack 전용)
    /// </summary>
    public readonly ref struct RamjetInletTelemetry
    {
        public readonly float MachNumber;            // 비행 마하수 (M)
        public readonly float AngleOfAttackDeg;       // 영각 (AOA, 도)
        public readonly float InletStaticPressurePa; // 흡입구 정압 (P1)
        public readonly float DiffuserPressurePa;    // 디퓨저 출구 압력 (P2)
        public readonly float CombustorPressurePa;   // 연소실 압력 (Pc)

        public RamjetInletTelemetry(float mach, float aoa, float p1, float p2, float pc)
        {
            MachNumber = mach;
            AngleOfAttackDeg = aoa;
            InletStaticPressurePa = p1;
            DiffuserPressurePa = p2;
            CombustorPressurePa = pc;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 램제트 핀틀 밸브 및 추진 제어 지령
    /// </summary>
    public readonly ref struct RamjetActuatorOutput
    {
        public readonly float PintlePositionMm;      // 가변 핀틀 밸브 위치 (0~5mm)
        public readonly float FuelMassFlowKgPerSec;  // 공급 연료 유량 (kg/s)
        public readonly float ShockPositionRatio;    // 립 대비 충격파 위치 비율 (1.0 = Shock-on-Lip)
        public readonly bool IsBuzzRiskDetected;     // 버징 진동 위험 감지 플래그

        public RamjetActuatorOutput(float pintleMm, float fuelFlow, float shockRatio, bool buzzRisk)
        {
            PintlePositionMm = pintleMm;
            FuelMassFlowKgPerSec = fuelFlow;
            ShockPositionRatio = shockRatio;
            IsBuzzRiskDetected = buzzRisk;
        }
    }

    /// <summary>
    /// KF-21 미티어 1,000Hz 0-Alloc C# 램제트 흡입구 충격파 및 가변 추진 제어 엔진
    /// </summary>
    public static class MeteorRamjetControlEngine
    {
        private const float GammaAir = 1.4f;
        private const float MaxPintleTravelMm = 5.0f;
        private const float TargetPressureRecoveryRatio = 0.82f;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static RamjetActuatorOutput ComputeThrustAndShock(in RamjetInletTelemetry telemetry, float targetThrustRatio)
        {
            float m = MathF.Max(telemetry.MachNumber, 1.5f);

            // 1. 디퓨저 대 정압비 기반 충격파 위치 추정 (Shock-on-Lip 모니터링)
            float pressureRatio = telemetry.DiffuserPressurePa / MathF.Max(telemetry.InletStaticPressurePa, 1e3f);
            
            // 이론 정규 충격파 압력비: P2/P1 = 1 + (2*gamma/(gamma+1))*(M^2 - 1)
            float theoreticalNormRatio = 1.0f + (2.0f * GammaAir / (GammaAir + 1.0f)) * (m * m - 1.0f);
            float shockPosRatio = pressureRatio / MathF.Max(theoreticalNormRatio * 0.45f, 1e-2f);

            // 2. 버징 위험 판정 (충격파가 립 밖으로 과도하게 이탈 시)
            bool buzzRisk = shockPosRatio > 1.15f || telemetry.AngleOfAttackDeg > 12.0f;

            // 3. 핀틀 밸브 변위 제어 (버징 회피 시 연료 스로틀링 피드포워드)
            float basePintleMm = targetThrustRatio * MaxPintleTravelMm;
            if (buzzRisk)
            {
                // 연소실 압력을 즉각 낮추어 흡입구 배압 감소
                basePintleMm *= 0.75f;
            }

            float finalPintleMm = Math.Clamp(basePintleMm, 0.5f, MaxPintleTravelMm);

            // 4. 공급 연료 질량 유량 계산 (단면적 비례)
            float fuelFlowKgSec = (finalPintleMm / MaxPintleTravelMm) * 0.42f; // 최대 0.42 kg/s

            return new RamjetActuatorOutput(
                finalPintleMm,
                fuelFlowKgSec,
                shockPosRatio,
                buzzRisk
            );
        }
    }
}

4. 풍동 시험 및 종말 요격 HIL 시뮬레이션 결과