대한민국 해병대 상륙돌격장갑차(KAAV) 쇄파대(Surf Zone) 조우 파랑 극복 능동 트림 밸러스트 및 전복 방지 1,000Hz 0-Alloc C# 해상 자세제어 엔진

제1장: 천해 쇄파대 파랑 유체역학 및 선체 6자유도 조우 모델

수심 $h$, 유의 파고 $H_s$, 파장 $\lambda_w$인 해안 쇄파대에서 파랑의 전파 속도 $c$와 장갑차가 조우하는 조우 주파수 $\omega_e$ 및 선체 메타센트릭 높이 $\overline{GM}$은 다음과 같이 정의됩니다:

추파(Following Sea) 상태에서 파속 $c$가 장갑차 전진 속도 $U$보다 클 때, 파도 정점(Wave Crest)에 선체 중앙이 걸리면 수선면적이 좁아져 $\overline{BM}$이 급감하고 복원력 상실(Loss of Stability on Crest) 및 브로칭 위험이 극대화됩니다.

제2장: 능동 유압 바우 플랩 및 4분면 밸러스트 이동 질량 제어

쇄파 충격 시 차체 침수를 방지하고 자세를 수평 복원하기 위해, 전방 바우 플랩 각도 $\delta_{\text{flap}}$과 4개 밸러스트 탱크($m_1 \sim m_4$)의 해수 이송을 제어하는 상태 방정식은 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# KAAV 쇄파대 자세제어 엔진 아키텍처

선체 6자유도 IMU 자세, 침수 흘수계, 파랑 충격 센서를 1ms 주기로 무할당 융합하여 바우 플랩 서보와 밸러스트 펌프를 통제하는 순수 C# 실시간 엔진입니다:

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

namespace ZeliDesk.Defense.Kaav2
{
    /// <summary>
    /// 선체 해상 거동 및 파랑 센서 계측 데이터 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct KaavHydroState
    {
        public readonly float SurgeSpeedMps;    // 전진 속도 U (m/s)
        public readonly float PitchAngleDeg;    // 피치각 theta (deg, 선수 상향 +)
        public readonly float RollAngleDeg;     // 롤각 phi (deg, 우현 기울기 +)
        public readonly float YawRateRps;       // 요 회전 각속도 r (rad/s)
        public readonly float PitchRateRps;     // 피치 각속도 q (rad/s)
        public readonly float RollRateRps;      // 롤 각속도 p (rad/s)
        public readonly float BowDraftM;        // 선수부 흘수 d_bow (m)
        public readonly float SternDraftM;      // 선미부 흘수 d_stern (m)
        public readonly float WaveHeightM;      // 전방 조우 파고 H (m)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public KaavHydroState(
            float surge, float pitch, float roll, float r, float q, float p,
            float bowDraft, float sternDraft, float waveH)
        {
            SurgeSpeedMps = surge;
            PitchAngleDeg = pitch;
            RollAngleDeg = roll;
            YawRateRps = r;
            PitchRateRps = q;
            RollRateRps = p;
            BowDraftM = bowDraft;
            SternDraftM = sternDraft;
            WaveHeightM = waveH;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 쇄파대 제어 액추에이터 명령 출력 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct KaavActuatorCommand
    {
        public readonly float BowFlapAngleDeg;      // 바우 플랩 서보 각도 (0~45 deg)
        public readonly float BallastPortPumpLps;   // 좌현 밸러스트 펌프 유량 (+ 유입, - 배출)
        public readonly float BallastStbdPumpLps;   // 우현 밸러스트 펌프 유량 (+ 유입, - 배출)
        public readonly float LeftNozzleVectorDeg;  // 좌측 워터제트 디플렉터 각도
        public readonly float RightNozzleVectorDeg; // 우측 워터제트 디플렉터 각도
        public readonly bool BroachingWarning;      // 브로칭 전복 위험 경보 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public KaavActuatorCommand(
            float flap, float portPump, float stbdPump, float leftNoz, float rightNoz, bool warning)
        {
            BowFlapAngleDeg = flap;
            BallastPortPumpLps = portPump;
            BallastStbdPumpLps = stbdPump;
            LeftNozzleVectorDeg = leftNoz;
            RightNozzleVectorDeg = rightNoz;
            BroachingWarning = warning;
        }
    }

    /// <summary>
    /// KAAV 쇄파대 전복 방지 1,000Hz 0-Alloc 자세제어 코어 엔진
    /// </summary>
    public ref struct KaavSurfZoneControlEngine
    {
        private const float RhoSea = 1025.0f;       // 해수 밀도 (kg/m^3)
        private const float FlapArea = 2.4f;        // 바우 플랩 면적 (m^2)
        private const float MaxPumpRateLps = 150.0f;// 최대 밸러스트 펌프 유량 (L/s)
        private const float CriticalRollDeg = 18.0f;// 브로칭 경보 롤 한계각 (deg)

        private float _rollSmcIntegral;
        private float _pitchSmcIntegral;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public KaavActuatorCommand Step1000Hz(in KaavHydroState state, float dt)
        {
            // 1. 브로칭(Broaching) 위험 판정
            bool isWarning = MathF.Abs(state.RollAngleDeg) > CriticalRollDeg ||
                             (MathF.Abs(state.YawRateRps) > 0.45f && state.WaveHeightM > 2.5f);

            // 2. 바우 플랩 능동 각도 제어 (선수 잠김 방지 및 트림각 유지)
            // 목표 피치 각도: +3.0도 (선수 경미 상향 트림)
            float targetPitchDeg = 3.0f;
            float pitchErr = targetPitchDeg - state.PitchAngleDeg;
            _pitchSmcIntegral = Math.Clamp(_pitchSmcIntegral + pitchErr * dt, -15.0f, 15.0f);

            // 선수부 흘수가 과도하게 깊어지면 플랩을 급격히 전개하여 부상 양력 형성
            float draftPenalty = MathF.Max(0.0f, state.BowDraftM - 1.2f) * 15.0f;
            float flapCmd = (pitchErr * 2.5f) - (state.PitchRateRps * 0.8f) + draftPenalty;
            float bowFlapAngle = Math.Clamp(flapCmd, 0.0f, 45.0f);

            // 3. 4분면 밸러스트 펌프 슬라이딩 모드(SMC) 롤 복원 제어
            float sRoll = state.RollAngleDeg + 0.35f * (state.RollRateRps * 180.0f / MathF.PI);
            float pumpEffort = -sRoll * 12.0f - MathF.Sign(sRoll) * 25.0f;
            pumpEffort = Math.Clamp(pumpEffort, -MaxPumpRateLps, MaxPumpRateLps);

            float portPump = pumpEffort;        // 양수: 좌현 주수 (우현으로 기울었을 때 복원)
            float stbdPump = -pumpEffort;       // 음수: 우현 배수

            // 4. 이중 워터제트 차동 추력 벡터링 (브로칭 방지 요잉 토크 상쇄)
            float yawCorrection = -state.YawRateRps * 35.0f;
            float leftNozzle = Math.Clamp(yawCorrection, -30.0f, 30.0f);
            float rightNozzle = Math.Clamp(yawCorrection, -30.0f, 30.0f);

            return new KaavActuatorCommand(
                bowFlapAngle,
                portPump,
                stbdPump,
                leftNozzle,
                rightNozzle,
                isWarning
            );
        }
    }
}

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