대한민국 육군 차기 군단급 무인기(UAV-II) 텐덤 윙 전·후익 공력 간섭 해석 및 종·횡안정성 1,000Hz 0-Alloc C# 활공 유도제어 엔진

제1장: 텐덤 윙 하향풍(Downwash) 공력 간섭 및 양력·모멘트 수치 모델

전방 주익의 면적 $S_1$, 가로세로비 $AR_1$, 장착각 $i_1$과 후방 주익의 면적 $S_2$, 가로세로비 $AR_2$, 장착각 $i_2$ 및 전·후익 간격 $l_w$, 수직 고도차 $h_w$인 텐덤 윙 비행체에서, 전익이 생성하는 하향각 $\epsilon$과 후익의 유효 받음각 $lpha_{2, ext{eff}}$는 다음과 같이 유도됩니다:

비행체가 종방향 정적 복원력($rac{d C_m}{d lpha} < 0$)을 가지려면, 전익의 양력 기울기가 후익보다 크고 전익이 무게중심 전방에 위치하도록 하여 실속(Stall) 발생 시 전익이 먼저 실속에 진입해 자연스럽게 기수가 내려앉는 수동 피치 안정화(Passive Pitch Recovery) 설계가 필수적입니다.

제2장: 비상 활공(Glide) 모드 최적 양항비($L/D_{\max}$) 유도 기하

엔진 추진력 상실 시 무인기가 최대 도달 거리 $R_{\max}$를 확보하기 위한 활공비와 최적 비행속도 $V_{ ext{best\_glide}}$의 관계식은 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# 차기 군단급 무인기 비행제어 엔진 아키텍처

전·후익 공력 간섭 계산, 4면 조종익(전익 앨러본 2개, 후익 엘리베이터/러더 2개) 제어 할당, 활공 경로 추종을 1ms 주기로 GC 부담 없이 무할당 수행하는 순수 C# 고성능 엔진입니다:

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

namespace ZeliDesk.Defense.CorpsUav2
{
    /// <summary>
    /// 비행체 센서 계측 상태 구조체 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct CorpsUavFlightState
    {
        public readonly float AirspeedMps;      // 대기속도 V (m/s)
        public readonly float AltitudeM;        // 고도 h (m)
        public readonly float AlphaDeg;         // 받음각 alpha (deg)
        public readonly float BetaDeg;          // 사이드슬립각 beta (deg)
        public readonly float PitchDeg;         // 피치각 theta (deg)
        public readonly float RollDeg;          // 롤각 phi (deg)
        public readonly float PitchRateRps;     // 피치 각속도 q (rad/s)
        public readonly float RollRateRps;      // 롤 각속도 p (rad/s)
        public readonly float YawRateRps;       // 요 각속도 r (rad/s)
        public readonly bool EngineOutEmergency;// 엔진 정지 비상 상태 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public CorpsUavFlightState(
            float airspeed, float altitude, float alpha, float beta,
            float pitch, float roll, float q, float p, float r, bool engineOut)
        {
            AirspeedMps = airspeed;
            AltitudeM = altitude;
            AlphaDeg = alpha;
            BetaDeg = beta;
            PitchDeg = pitch;
            RollDeg = roll;
            PitchRateRps = q;
            RollRateRps = p;
            YawRateRps = r;
            EngineOutEmergency = engineOut;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 조종익 제어 명령 출력 구조체 (4타면 독립 서보 각도)
    /// </summary>
    public readonly struct CorpsUavControlOutput
    {
        public readonly float ElevonLeftDeg;    // 전익 좌측 앨러본 (deg)
        public readonly float ElevonRightDeg;   // 전익 우측 앨러본 (deg)
        public readonly float AftElevatorDeg;   // 후익 승강타 (deg)
        public readonly float AftRudderDeg;     // 후익 방향타 (deg)
        public readonly float CurrentLOverD;    // 현재 양항비 (L/D)
        public readonly float TargetGlideSpeed; // 최적 활공 목표 속도 (m/s)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public CorpsUavControlOutput(
            float elLeft, float elRight, float aftElev, float aftRud, float lod, float tgtV)
        {
            ElevonLeftDeg = elLeft;
            ElevonRightDeg = elRight;
            AftElevatorDeg = aftElev;
            AftRudderDeg = aftRud;
            CurrentLOverD = lod;
            TargetGlideSpeed = tgtV;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 군단급 UAV-II 텐덤 윙 1,000Hz 0-Alloc 고주파 비행제어 엔진
    /// </summary>
    public ref struct CorpsUavTandemWingEngine
    {
        // 공력 형상 파라미터 (상수 불변)
        private const float S1 = 3.2f;          // 전익 면적 (m^2)
        private const float S2 = 4.8f;          // 후익 면적 (m^2)
        private const float Sref = 8.0f;        // 총 기준 면적 (m^2)
        private const float AR1 = 12.0f;        // 전익 가로세로비
        private const float AR2 = 10.0f;        // 후익 가로세로비
        private const float Lw = 3.8f;          // 전·후익 중심 거리 (m)
        private const float Hw = 0.45f;         // 전·후익 수직 단차 (m)
        private const float Cd0 = 0.024f;       // 유해항력 계수
        private const float MassKg = 450.0f;    // 기체 질량 (kg)
        private const float Gravity = 9.80665f; // 중력가속도 (m/s^2)

        // 제어 게인 (안정화 루프)
        private float _pitchIntegral;
        private float _rollIntegral;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public CorpsUavControlOutput Step1000Hz(in CorpsUavFlightState state, float dt)
        {
            // 1. 표준 대기 밀도 근사 (지수 고도 모델)
            float rho = 1.225f * MathF.Exp(-state.AltitudeM / 9042.0f);
            float v = MathF.Max(state.AirspeedMps, 15.0f);
            float qBar = 0.5f * rho * v * v; // 동압 q_inf

            // 2. 전익 하향풍 간섭각 (Downwash) 계산
            float alphaRad = state.AlphaDeg * (MathF.PI / 180.0f);
            float cl1 = 2.0f * MathF.PI * (alphaRad + 0.035f); // 전익 2도 붙임각
            float downwashFactor = 1.0f + (Lw / MathF.Sqrt(Lw * Lw + Hw * Hw));
            float epsilonRad = (2.0f * cl1 / (MathF.PI * AR1)) * downwashFactor * 0.85f;

            // 3. 후익 유효 받음각 및 양력
            float alpha2Rad = alphaRad - epsilonRad;
            float cl2 = 2.0f * MathF.PI * alpha2Rad;

            // 4. 총 양력 및 항력 계산
            float totalLift = qBar * ((S1 * cl1) + (S2 * cl2));
            float kInduced = (1.0f / (MathF.PI * AR1 * 0.88f)) * (S1 / Sref) +
                             (1.0f / (MathF.PI * AR2 * 0.85f)) * (S2 / Sref);
            float totalDragCoeff = Cd0 + kInduced * MathF.Pow((totalLift / (qBar * Sref)), 2.0f);
            float totalDrag = qBar * Sref * totalDragCoeff;
            float lod = totalLift / MathF.Max(totalDrag, 1.0f);

            // 5. 최적 활공 속도 산출 (V_best_glide)
            float clOptimal = MathF.Sqrt(Cd0 / kInduced);
            float vBestGlide = MathF.Sqrt((2.0f * MassKg * Gravity) / (rho * Sref * clOptimal));

            // 6. 엔진 정지 시 비상 활공 피치 제어
            float targetPitchDeg = state.EngineOutEmergency ? -3.5f : 0.0f;
            float pitchErr = targetPitchDeg - state.PitchDeg;
            _pitchIntegral = Math.Clamp(_pitchIntegral + pitchErr * dt, -10.0f, 10.0f);

            // PID 피칭 제어기
            float pitchCmd = (pitchErr * 1.8f) - (state.PitchRateRps * 0.45f) + (_pitchIntegral * 0.12f);
            pitchCmd = Math.Clamp(pitchCmd, -20.0f, 20.0f);

            // 롤/요 안정화 제어
            float rollErr = 0.0f - state.RollDeg;
            _rollIntegral = Math.Clamp(_rollIntegral + rollErr * dt, -8.0f, 8.0f);
            float rollCmd = (rollErr * 1.2f) - (state.RollRateRps * 0.35f) + (_rollIntegral * 0.08f);
            rollCmd = Math.Clamp(rollCmd, -18.0f, 18.0f);

            float rudderCmd = -state.YawRateRps * 2.2f - state.BetaDeg * 0.4f;
            rudderCmd = Math.Clamp(rudderCmd, -25.0f, 25.0f);

            // 7. 제어면 믹싱 할당 (전익 앨러본 차동 + 후익 승강타 협조)
            float elevonLeft = pitchCmd * 0.6f + rollCmd;
            float elevonRight = pitchCmd * 0.6f - rollCmd;
            float aftElevator = pitchCmd * 0.8f; // 후익 전담 피치 보조

            return new CorpsUavControlOutput(
                Math.Clamp(elevonLeft, -25.0f, 25.0f),
                Math.Clamp(elevonRight, -25.0f, 25.0f),
                Math.Clamp(aftElevator, -28.0f, 28.0f),
                rudderCmd,
                lod,
                vBestGlide
            );
        }
    }
}

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