대한민국 공군 한국형 전투기(KF-21) 고받음각(High AoA) 비행 시 와류 붕괴(Vortex Breakdown) 방지 스트레이크-카나드 능동 공력제어 및 1,000Hz 0-Alloc C# 슈퍼스톨 회피 비행제어 엔진

제1장: 폴햄(Polhamus) 와류 리프트 및 와류 붕괴(Vortex Breakdown) 수식

날개 평면형의 가로세로비 $AR$, 후퇴각 $\Lambda$, 받음각 $\alpha$일 때 전연 박리 와류 양력 계수 $C_{L,\text{vortex}}$ 및 와류 붕괴 전면 위치 $x_{\text{break}} / c$는 다음과 같이 모델링됩니다:

제2장: 리딩에지 플랩(LEF) 및 피치 제한 FSM 슈퍼스톨 방어

와류 붕괴를 지연시키고 기수를 강제 하강시키는 3단계 비행제어 상태 천이 메커니즘은 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# KF-21 비행제어 엔진 아키텍처

1ms 실시간 루프에서 GC 부하 없이 에어데이터(AoA, 피치각속도 q)를 처리하고 조종면 액추에이터 지령을 산출하는 순수 C# 코어입니다:

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.Kf21Flight
{
    /// 

    /// KF-21 에어데이터 및 관성 센서 텔레메트리 (스택 전용 0-Alloc)
    /// 
    public readonly struct FlightAirTelemetry
    {
        public readonly float AngleOfAttackDeg; // 받음각 AoA alpha (도)
        public readonly float SideslipDeg;      // 횡미각 beta (도)
        public readonly float PitchRateDps;     // 피치 각속도 q (deg/s)
        public readonly float DynamicPressureKpa;// 동압 q_inf (kPa)
        public readonly float MachNumber;       // 마하수 M

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FlightAirTelemetry(float aoa, float beta, float q, float qInf, float mach)
        {
            AngleOfAttackDeg = aoa;
            SideslipDeg = beta;
            PitchRateDps = q;
            DynamicPressureKpa = qInf;
            MachNumber = mach;
        }
    }

    /// 

    /// KF-21 플라이트 조종면 편향각 제어 지령
    /// 
    public readonly struct ControlSurfaceCommand
    {
        public readonly float StabilatorDeg;     // 수평미익 편향각 (-25도 ~ +15도)
        public readonly float LeadingEdgeFlapDeg;// 전연 플랩각 (0도 ~ 30도)
        public readonly float TrailingEdgeFlapDeg;// 후연 플랩각 (-15도 ~ +20도)
        public readonly bool SuperstallWarning;  // 슈퍼스톨 위험 경보 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public ControlSurfaceCommand(float stab, float lef, float tef, bool warn)
        {
            StabilatorDeg = stab;
            LeadingEdgeFlapDeg = lef;
            TrailingEdgeFlapDeg = tef;
            SuperstallWarning = warn;
        }
    }

    /// 

    /// 공군 KF-21 1,000Hz 0-Alloc 고받음각 슈퍼스톨 방지 비행제어 코어
    /// 
    public ref struct Kf21FlightControlEngine
    {
        public const float AlphaOnsetVortexBreakdownDeg = 28.0f; // 와류 붕괴 시작 받음각
        public const float SuperstallCriticalAlphaDeg = 38.0f;   // 슈퍼스톨 임계 받음각
        public const float MaxPitchRateSafeDps = 8.0f;           // 안전 피치각속도 상한

        /// 

        /// 1,000Hz 결정론적 고받음각 와류 리프트 제어 및 조종면 산출
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static ControlSurfaceCommand EvaluateFlightControl(in FlightAirTelemetry air)
        {
            float aoa = air.AngleOfAttackDeg;
            float q = air.PitchRateDps;

            // 1. 와류 붕괴 위험 및 슈퍼스톨 판정
            bool isSuperstallRisk = (aoa >= SuperstallCriticalAlphaDeg) || (aoa >= 32.0f && q > MaxPitchRateSafeDps);

            float lefCmd = 0.0f;
            float stabCmd = 0.0f;
            float tefCmd = 0.0f;

            // 2. 전연 플랩(LEF) 스케줄링 (와류 붕괴점 후퇴 유도)
            if (aoa > 15.0f)
            {
                lefCmd = Math.Clamp((aoa - 15.0f) * 1.3f, 0.0f, 30.0f);
            }

            // 3. 비상 슈퍼스톨 복귀 오버라이드 모드
            if (isSuperstallRisk)
            {
                // 수평미익을 최대 하향 편향(-25도)하여 강력한 기수 내림 모멘트 발생
                stabCmd = -25.0f;
                // 후연 플랩도 음의 각도로 전환하여 주익 뒷전 하향력 완화
                tefCmd = -10.0f;
            }
            else
            {
                // 정상 고기동 모드: 받음각 및 피치율 피드백 감쇠 (PD 비행제어)
                float pitchFeedback = (aoa - 12.0f) * 0.8f + (q * 0.45f);
                stabCmd = Math.Clamp(-pitchFeedback, -25.0f, 15.0f);
                tefCmd = Math.Clamp(aoa * 0.4f, 0.0f, 20.0f);
            }

            return new ControlSurfaceCommand(
                stabCmd,
                lefCmd,
                tefCmd,
                isSuperstallRisk
            );
        }
    }
}

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