대한민국 공군 KF-21 보라매 초음속 무장 분리 간 기체 간섭 유체 동역학 및 1,000Hz 0-Alloc C# 투하 궤적 안전성 판정 엔진

3. 1,000Hz 0-Alloc C# KF-21 초음속 무장 투하 궤적 안전성 판정 엔진

런타임 메모리 할당 없이 스택 공간에서 수치 적분을 150단계 수행하여 투하 허가(Launch Authorize) 신호를 산출하는 고속 C# 코드입니다.

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

public ref struct Kf21StoreSeparationEngine
{
    private readonly float _missileMassKg;
    private readonly float _pitchInertiaKgM2;
    private readonly float _minSafeClearanceM;

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public Kf21StoreSeparationEngine(
        float massKg = 190.0f,
        float pitchInertia = 24.5f,
        float minClearance = 0.35f)
    {
        _missileMassKg = massKg;
        _pitchInertiaKgM2 = pitchInertia;
        _minSafeClearanceM = minClearance;
    }

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public void PredictSeparationTrajectory(
        float machNumber,
        float dynamicPressureKpa,
        float frontPistonPressureBar,
        float rearPistonPressureBar,
        float aircraftNormalAccelG,
        out float minEstimatedClearanceM,
        out float missilePitchRateAtExitDegPerSec,
        out bool launchSafeApproved)
    {
        // 피스톤 사출력 계산 (단면적 0.0025 m2 가정)
        float fFront = frontPistonPressureBar * 100000.0f * 0.0025f;
        float fRear = rearPistonPressureBar * 100000.0f * 0.0025f;

        // 초기 수직 가속도 및 피칭 각가속도 (기수 하향 모멘트 유도)
        float initialAz = (fFront + fRear) / _missileMassKg - (aircraftNormalAccelG * 9.80665f);
        float initialPitchAlpha = (fRear * 0.4f - fFront * 0.5f) / _pitchInertiaKgM2; // 음수 = Pitch Down

        // 150ms 궤적 간이 수치 적분 (dt = 0.01s, 15단계)
        float dt = 0.01f;
        float zPos = 0.0f; // 하향 변위
        float zVel = 0.0f;
        float pitchAngleRad = 0.0f;
        float pitchRateRad = 0.0f;
        minEstimatedClearanceM = float.MaxValue;

        for (int step = 0; step < 15; step++)
        {
            float t = step * dt;
            // 피스톤 작용은 초기 40ms 동안만 유지
            float activeAz = (t < 0.04f) ? initialAz : 9.80665f;
            float activeAlpha = (t < 0.04f) ? initialPitchAlpha : 0.0f;

            // 공력 간섭 피치 모멘트 (천음속 와류 간섭 효과: Mach 기반 흡입 보정)
            float aeroSuctionForce = dynamicPressureKpa * 12.0f * MathF.Max(machNumber - 0.9f, 0.0f);
            activeAz -= (aeroSuctionForce / _missileMassKg);

            zVel += activeAz * dt;
            zPos += zVel * dt;

            pitchRateRad += activeAlpha * dt;
            pitchAngleRad += pitchRateRad * dt;

            // 미사일 미익단 기체 하부 거리 평가 (L = 1.8m)
            float tailOffset = 1.8f * MathF.Sin(pitchAngleRad);
            float currentClearance = zPos - tailOffset;

            if (currentClearance < minEstimatedClearanceM)
            {
                minEstimatedClearanceM = currentClearance;
            }
        }

        missilePitchRateAtExitDegPerSec = pitchRateRad * (180.0f / MathF.PI);
        launchSafeApproved = (minEstimatedClearanceM >= _minSafeClearanceM);
    }
}