대한민국 육군 K239 천무 다련장 로켓 발사 플룸(Plume) 화염 제트 가스 동압 및 4축 능동 유압 아웃트리거 1,000Hz 0-Alloc C# 지반 반력 지지 안정화 엔진

제1장: 로켓 플룸(Plume) 제트 동압 충격 및 발사대 모멘트 모델

로켓 노즐 가스 배출 속도 $v_e$, 노즐 출구 밀도 $\rho_e$, 발사관 각도 $(\alpha_e, \beta_e)$ 및 디플렉터 거리 $L_{\text{def}}$에 대한 로켓 플룸 충격력 $F_{\text{plume}}$과 차체 무게중심(CoG) 기준 요동 모멘트는 다음과 같습니다:

제2장: 윙클러(Winkler) 지반 지지력 및 4축 아웃트리거 반력 평형

토양 지반 계수 $k_{\text{soil}}$, 아웃트리거 패드 접지면적 $A_{\text{pad}}$, 4개 잭의 변위 $z_1 \sim z_4$에 작용하는 수직 반력 $F_{z, j}$와 차체 롤/피치 복원 평형식은 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# 천무 아웃트리거 안정화 엔진

4개 아웃트리거 유압 압력 센서, 차체 2축 고정밀 경사계(Inclinometer), 발사 시퀀스 신호를 1ms 주기로 무할당 융합하여 4축 서보 밸브를 제어하는 순수 C# 실시간 엔진입니다:

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

namespace ZeliDesk.Defense.ChunmooMrls
{
    /// <summary>
    /// 천무 차체 경사 및 4축 아웃트리거 센서 계측 데이터 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct ChunmooChassisState
    {
        public readonly float PitchDeg;          // 차체 피치 경사각 (deg)
        public readonly float RollDeg;           // 차체 롤 경사각 (deg)
        public readonly float PitchRateRps;      // 피치 각속도 q (rad/s)
        public readonly float RollRateRps;       // 롤 각속도 p (rad/s)
        public readonly float FrontLeftForceKn;  // 전좌측 잭 지반 반력 (kN)
        public readonly float FrontRightForceKn; // 전우측 잭 지반 반력 (kN)
        public readonly float RearLeftForceKn;   // 후좌측 잭 지반 반력 (kN)
        public readonly float RearRightForceKn;  // 후우측 잭 지반 반력 (kN)
        public readonly bool RocketFiringPulse;  // 로켓 모터 점화 플룸 펄스 신호

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public ChunmooChassisState(
            float pitch, float roll, float q, float p,
            float flKn, float frKn, float rlKn, float rrKn, bool firing)
        {
            PitchDeg = pitch;
            RollDeg = roll;
            PitchRateRps = q;
            RollRateRps = p;
            FrontLeftForceKn = flKn;
            FrontRightForceKn = frKn;
            RearLeftForceKn = rlKn;
            RearRightForceKn = rrKn;
            RocketFiringPulse = firing;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 4축 유압 실린더 제어 출력 구조체
    /// </summary>
    public readonly struct OutriggerControlOutput
    {
        public readonly float ValveCmdFlBar;     // 전좌측 유압 명령 (bar)
        public readonly float ValveCmdFrBar;     // 전우측 유압 명령 (bar)
        public readonly float ValveCmdRlBar;     // 후좌측 유압 명령 (bar)
        public readonly float ValveCmdRrBar;     // 후우측 유압 명령 (bar)
        public readonly float MaxLevelErrorDeg;  // 최대 경사 오차 (deg)
        public readonly bool JackLiftOffWarning; // 잭 들림 경보 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OutriggerControlOutput(
            float fl, float fr, float rl, float rr, float maxErr, bool warning)
        {
            ValveCmdFlBar = fl;
            ValveCmdFrBar = fr;
            ValveCmdRlBar = rl;
            ValveCmdRrBar = rr;
            MaxLevelErrorDeg = maxErr;
            JackLiftOffWarning = warning;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc 천무 다련장 아웃트리거 지반 지지 안정화 엔진
    /// </summary>
    public ref struct ChunmooOutriggerEngine
    {
        private const float MinContactPreloadKn = 20.0f; // 최소 접지 예압 (kN)
        private const float NominalHydraulicBar = 180.0f;// 정상 유압 (bar)
        private const float MaxSystemPressureBar = 280.0f;// 최대 시스템 유압 (bar)

        // 적분기 상태
        private float _pitchIntegral;
        private float _rollIntegral;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OutriggerControlOutput Step1000Hz(in ChunmooChassisState state, float dt)
        {
            // 1. 잭 들림(Lift-off) 위험 검증 (어느 하나라도 예압 이하로 떨어지면 경보)
            bool liftOffWarning = state.FrontLeftForceKn < MinContactPreloadKn ||
                                  state.FrontRightForceKn < MinContactPreloadKn ||
                                  state.RearLeftForceKn < MinContactPreloadKn ||
                                  state.RearRightForceKn < MinContactPreloadKn;

            // 2. 수평도 유지 폐루프 제어 (목표: Pitch=0, Roll=0)
            float pitchErr = 0.0f - state.PitchDeg;
            float rollErr = 0.0f - state.RollDeg;

            _pitchIntegral = Math.Clamp(_pitchIntegral + pitchErr * dt, -5.0f, 5.0f);
            _rollIntegral = Math.Clamp(_rollIntegral + rollErr * dt, -5.0f, 5.0f);

            // 로켓 발사 플룸 발생 시 후방 잭 유압 급가압 피드포워드 (사격 충격 선제 보상)
            float plumeFeedforwardBar = state.RocketFiringPulse ? 65.0f : 0.0f;

            // PID 보정 유압
            float dPitchBar = (pitchErr * 80.0f) - (state.PitchRateRps * 15.0f) + (_pitchIntegral * 10.0f);
            float dRollBar = (rollErr * 80.0f) - (state.RollRateRps * 15.0f) + (_rollIntegral * 10.0f);

            // 3. 4축 독립 실린더 유압 배분
            // 전방: 피치가 뒤로 젖혀지면 전방 감압
            float cmdFl = NominalHydraulicBar - dPitchBar + dRollBar;
            float cmdFr = NominalHydraulicBar - dPitchBar - dRollBar;
            // 후방: 로켓 플룸으로 후방이 눌리면 후방 강력 가압
            float cmdRl = NominalHydraulicBar + dPitchBar + dRollBar + plumeFeedforwardBar;
            float cmdRr = NominalHydraulicBar + dPitchBar - dRollBar + plumeFeedforwardBar;

            float maxLevelErr = MathF.Max(MathF.Abs(state.PitchDeg), MathF.Abs(state.RollDeg));

            return new OutriggerControlOutput(
                Math.Clamp(cmdFl, 30.0f, MaxSystemPressureBar),
                Math.Clamp(cmdFr, 30.0f, MaxSystemPressureBar),
                Math.Clamp(cmdRl, 30.0f, MaxSystemPressureBar),
                Math.Clamp(cmdRr, 30.0f, MaxSystemPressureBar),
                maxLevelErr,
                liftOffWarning
            );
        }
    }
}

제4장: 2022 개정 교육과정 연계 교과 융합 지도안 (교사용 가이드)