대한민국 공군 FA-50 파이팅이글 ESR-500A 경량 AESA 레이더 공랭식(Air-Cooled) 질화갈륨(GaN) T/R 모듈 비정상 열전도 수치해석 & 1,000Hz 0-Alloc C# 펄스 도플러 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Defense.AvionicsRadar
{
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 16)]
    public struct AesaThermalState
    {
        public Vector256<float> SubArrayJunctionTempsC; // 8개 서브어레이 구역 접합부 온도 (°C)
        public float MaxJunctionTempC;                  // 최고 접합부 온도 (°C)
        public float AppliedDutyCycle;                  // 실시간 인가된 듀티비 (0.05 ~ 0.30)
        public float HeatDissipationWatt;               // 총 방열량 (W)
        public bool IsOverheatWarning;                  // 고온 경보 플래그
    }

    public sealed class Fa50AesaThermalEngine
    {
        private const float JunctionThermalCapacity = 0.085f; // J/°C
        private const float CaseThermalCapacity = 1.25f;       // J/°C
        private const float ThermalResistanceJc = 2.45f;      // °C/W
        private const float MaxAllowedJunctionC = 175.0f;     // GaN 최대 허용 온도 (°C)

        private AesaThermalState _state;
        private float _caseTempC = 45.0f;

        public Fa50AesaThermalEngine()
        {
            _state.SubArrayJunctionTempsC = Vector256.Create(
                65.0f, 66.5f, 68.0f, 70.0f, 69.5f, 67.0f, 65.5f, 64.0f);
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public ref readonly AesaThermalState StepThermalDynamics(
            float flightSpeedMps, float altitudeKm, float targetDutyCycle,
            float rfPeakPowerWattPerTr, int activeTrCount, float dt)
        {
            // 1. 비행 고도 및 속도에 따른 대기 밀도 및 램 에어 대류 열전달 계수 산출
            float ambientTempC = 15.0f - 6.5f * altitudeKm;
            float airDensity = 1.225f * MathF.Exp(-altitudeKm / 8.5f);
            float hAir = 45.0f + 0.35f * airDensity * MathF.Pow(flightSpeedMps, 0.82f);

            // 2. PAE 42% 기준 발열 전력 계산
            float pae = 0.42f;
            float heatPerTrWatt = rfPeakPowerWattPerTr * ((1.0f - pae) / pae);

            // 3. 최고 온도 구역 모니터링 및 듀티 스로틀링
            Span<float> jTemps = stackalloc float[8];
            _state.SubArrayJunctionTempsC.CopyTo(jTemps);

            float currentMaxTj = jTemps[3]; // 중심부 최고 온도
            float safeDuty = targetDutyCycle;
            if (currentMaxTj > 155.0f)
            {
                // 선형 스로틀링으로 접합부 온도 175°C 이하 억제
                float throttleFactor = Math.Clamp((MaxAllowedJunctionC - currentMaxTj) / 20.0f, 0.20f, 1.0f);
                safeDuty = targetDutyCycle * throttleFactor;
            }
            _state.AppliedDutyCycle = safeDuty;

            // 4. 서브어레이 구역별 비정상 과도 열전도 적분 (SIMD)
            float totalHeatDissipated = 0.0f;
            float maxTemp = 0.0f;

            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                float zonePower = (heatPerTrWatt * safeDuty * (activeTrCount / 8.0f)) * (1.0f + (i == 3 ? 0.15f : 0.0f));
                float qConduction = (jTemps[i] - _caseTempC) / ThermalResistanceJc;

                jTemps[i] += ((zonePower - qConduction) / JunctionThermalCapacity) * dt;
                totalHeatDissipated += qConduction;
                if (jTemps[i] > maxTemp) maxTemp = jTemps[i];
            }

            // 5. 케이스 방열판 강제 대류 냉각
            float qConvection = hAir * 0.18f * (_caseTempC - ambientTempC); // 방열 면적 0.18 m^2
            _caseTempC += ((totalHeatDissipated - qConvection) / CaseThermalCapacity) * dt;

            _state.MaxJunctionTempC = maxTemp;
            _state.HeatDissipationWatt = totalHeatDissipated;
            _state.IsOverheatWarning = (maxTemp > 165.0f);

            _state.SubArrayJunctionTempsC = Vector256.Create(
                jTemps[0], jTemps[1], jTemps[2], jTemps[3], jTemps[4], jTemps[5], jTemps[6], jTemps[7]);

            return ref _state;
        }
    }
}