대한민국 해병대 차기 상륙돌격장갑차-II(KAAV-II) 수상 고속 활주 수중익(Hydrofoil) 전개 및 40노트 트림·자세 1,000Hz 0-Alloc C# 유체제어 엔진

제1장: 수중익(Hydrofoil) 양력 역학 및 캐비테이션(Cavitation) 한계 수식

해수 밀도 $\rho$, 유속 $V$, 수중익 면적 $S$, 유효 받음각 $\alpha$, 가로세로비(Aspect Ratio) $AR$, 정수압 $p_\infty$, 포화증기압 $p_v$가 주어졌을 때, 3차원 수중익의 동수압 양력 $L_{\text{foil}}$ 및 캐비테이션 수 $\sigma$는 다음과 같습니다:

제2장: 선체 3단계 활주 모드 전이 및 피치-롤 평형 메커니즘

KAAV-II의 주행 속도($V_{\text{kts}}$)에 따른 수상 거동 상태는 다음과 같은 3단계 상태 기계(FSM)로 제어됩니다:

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

1ms 결정론적 주기에서 IMU와 유속 센서로부터 차체 동역학을 분석하고 수중익 유압 서보 및 워터제트 노즐을 제어하는 순수 C# 코어입니다:

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

namespace ZeliDesk.Defense.Kaav2Planing
{
    /// 

    /// KAAV-II 선체 운동학 및 수상 센서 텔레메트리 (스택 전용 0-Alloc)
    /// 
    public readonly struct Kaav2Telemetry
    {
        public readonly float SpeedKts;         // 수상 전진 속도 (Knots)
        public readonly float PitchDeg;         // 종동요 피치각 (도)
        public readonly float PitchRateDps;     // 피치 각속도 (deg/s)
        public readonly float RollDeg;          // 횡동요 롤각 (도)
        public readonly float RollRateDps;      // 롤 각속도 (deg/s)
        public readonly float WaterDepthFoilM;  // 수중익 잠수 심도 (m)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public Kaav2Telemetry(float speed, float pitch, float pRate, float roll, float rRate, float depth)
        {
            SpeedKts = speed;
            PitchDeg = pitch;
            PitchRateDps = pRate;
            RollDeg = roll;
            RollRateDps = rRate;
            WaterDepthFoilM = depth;
        }
    }

    /// 

    /// 수중익 액추에이터 및 워터제트 제어 지령
    /// 
    public readonly struct HydrofoilControlOutput
    {
        public readonly float ForeFlapDeg;      // 전방 수중익 플랩각 (0~5도)
        public readonly float AftPortFlapDeg;   // 후방 좌현 수중익 플랩각 (0~5도)
        public readonly float AftStbdFlapDeg;   // 후방 우현 수중익 플랩각 (0~5도)
        public readonly float WaterjetNozzleDeg;// 워터제트 조향 노즐 편향각 (도)
        public readonly bool CavitationWarning; // 캐비테이션 위험 경보

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public HydrofoilControlOutput(float fore, float aftPort, float aftStbd, float nozzle, bool cavWarn)
        {
            ForeFlapDeg = fore;
            AftPortFlapDeg = aftPort;
            AftStbdFlapDeg = aftStbd;
            WaterjetNozzleDeg = nozzle;
            CavitationWarning = cavWarn;
        }
    }

    /// 

    /// 해병대 차기 KAAV-II 1,000Hz 0-Alloc 수중익 활주 자세제어 코어
    /// 
    public ref struct Kaav2HydrofoilPlaningEngine
    {
        public const float TargetPlaningTrimDeg = 3.2f;// 최적 활주 트림각 3.2도
        public const float MaxFlapAngleDeg = 4.5f;     // 캐비테이션 방지 최대 플랩각 4.5도
        public const float HumpSpeedKts = 18.0f;       // 험프 저항 영역 기준 속도 18노트

        /// 

        /// 1,000Hz 결정론적 수중익 플랩 및 선체 자세 제어 산출
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static HydrofoilControlOutput EvaluateControl(in Kaav2Telemetry tel)
        {
            float speedMps = tel.SpeedKts * 0.514444f;
            float dynPressureKPa = 0.5f * 1025.0f * speedMps * speedMps / 1000.0f; // 동압 (kPa)
            float staticPressureKPa = 101.3f + (1025.0f * 9.81f * tel.WaterDepthFoilM / 1000.0f);
            float cavNumber = staticPressureKPa / MathF.Max(dynPressureKPa, 1.0f);

            bool cavWarning = false;
            float allowedMaxFlapDeg = MaxFlapAngleDeg;

            // 1. 캐비테이션 수 감시 및 플랩 한계각 적응형 클램핑
            if (cavNumber < 0.55f && tel.SpeedKts > 30.0f)
            {
                cavWarning = true;
                // 고속에서 캐비테이션 방지를 위해 플랩각을 3.0도로 축소
                allowedMaxFlapDeg = 3.0f;
            }

            // 2. 피치 오차 보정 (PD 제어)
            float pitchErr = tel.PitchDeg - TargetPlaningTrimDeg;
            float baseFlap = 2.0f;

            if (tel.SpeedKts < HumpSpeedKts)
            {
                // 험프 돌파 모드: 전방 양력을 높여 기수 들림을 촉진하고 조기 활주 유도
                baseFlap = 4.0f;
            }
            else
            {
                // 고속 활주 모드: 기수 들림(Pitch > 3.2) 시 후방 플랩 증가 -> 선미 양력 증가 -> 기수 하강
                baseFlap = 2.5f + (pitchErr * 1.5f) + (tel.PitchRateDps * 0.4f);
            }

            baseFlap = Math.Clamp(baseFlap, 0.0f, allowedMaxFlapDeg);

            // 3. 횡요(Roll) 복원을 위한 후방 좌/우현 플랩 차동 제어
            float rollCorrection = (tel.RollDeg * 1.8f) + (tel.RollRateDps * 0.5f);
            float aftPortFlap = Math.Clamp(baseFlap + rollCorrection, 0.0f, allowedMaxFlapDeg);
            float aftStbdFlap = Math.Clamp(baseFlap - rollCorrection, 0.0f, allowedMaxFlapDeg);

            // 4. 전방 수중익 플랩각 산출 (피치 역보정)
            float foreFlap = Math.Clamp(baseFlap - (pitchErr * 1.2f), 0.5f, allowedMaxFlapDeg);

            // 5. 고속 선회 시 워터제트 조향각 산출
            float jetNozzle = Math.Clamp(-tel.RollDeg * 0.8f, -20.0f, 20.0f);

            return new HydrofoilControlOutput(
                foreFlap,
                aftPortFlap,
                aftStbdFlap,
                jetNozzle,
                cavWarning
            );
        }
    }
}

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