대한민국 공군 KF-21 블록-3 내부무장창(IWB) 초음속 개폐 공력 음향 공동(Cavity) 공진 제어 및 1,000Hz 0-Alloc C# 무장분리 엔진

제1장: 로시터(Rossiter) 공동 음향 공진 모드 및 압력 변동 수식

공동 길이 $L$, 깊이 $D$, 비행 마하수 $M_\infty$, 자유류 유속 $U_\infty$, 비열비 $\gamma$일 때, 제$m$차 로시터 공진 모드 주파수 $f_m$과 음압 레벨(Sound Pressure Level, SPL)은 다음과 같습니다:

제2장: 전단층 능동 제어 및 공압 피스톤 40G 안전 사출 궤적

음향 공진을 파쇄하고 미사일을 전단층 외부로 안전하게 밀어내는 2단계 무장 분리 메커니즘은 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# 내부무장창 제어 엔진 아키텍처

1ms 실시간 루프에서 비행 마하수와 동압을 감지하여 로시터 주파수를 예측하고, 유체 쉐브론 서보 및 미사일 사출 시퀀스를 무할당 제어하는 순수 C# 코어입니다:

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.Kf21Iwb
{
    /// <summary>
    /// KF-21 비행 환경 및 무장창 텔레메트리 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct IwbFlightTelemetry
    {
        public readonly float MachNumber;       // 비행 마하수 M
        public readonly float AirspeedMps;      // 대기속도 U_inf (m/s)
        public readonly float DynamicPressurePa;// 동압 q (Pa)
        public readonly float BayDoorAngleDeg;  // 무장창 도어 개방각 (0~90도)
        public readonly bool WeaponReleaseTrigger; // 사격 버튼 트리거 상태

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public IwbFlightTelemetry(float mach, float speed, float q, float doorAngle, bool trigger)
        {
            MachNumber = mach;
            AirspeedMps = speed;
            DynamicPressurePa = q;
            BayDoorAngleDeg = doorAngle;
            WeaponReleaseTrigger = trigger;
        }
    }

    /// <summary>
    /// IWB 능동 음향 제어 및 사출 피스톤 출력 명령
    /// </summary>
    public readonly struct IwbControlOutput
    {
        public readonly float RossiterMode2Hz;    // 예측된 로시터 2차 공진 주파수 (Hz)
        public readonly float ActiveBlowingBar;   // 선단 능동 분사 공압 밸브 압력 (bar)
        public readonly float ForwardPistonKn;    // 전방 사출 피스톤 제어력 (kN)
        public readonly float AftPistonKn;        // 후방 사출 피스톤 제어력 (kN)
        public readonly int EjectionState;        // 사출 시퀀스 FSM 단계 (0~3)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public IwbControlOutput(float f2, float blowBar, float fwdKn, float aftKn, int state)
        {
            RossiterMode2Hz = f2;
            ActiveBlowingBar = blowBar;
            ForwardPistonKn = fwdKn;
            AftPistonKn = aftKn;
            EjectionState = state;
        }
    }

    /// <summary>
    /// KF-21 블록-3 1,000Hz 0-Alloc 내부무장창 공력음향 & 안전분리 제어 코어
    /// </summary>
    public ref struct Kf21IwbAcousticEngine
    {
        // 무장창 제원 (길이 4.2m, 깊이 0.65m)
        public const float BayLengthM = 4.20f;
        public const float GammaAir = 1.40f;
        public const float AlphaLag = 0.25f;
        public const float KvVortex = 0.57f;

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 결정론적 공동 공진 주파수 예측 및 사출 피스톤 시퀀스 산출
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static IwbControlOutput EvaluateIwbControl(
            in IwbFlightTelemetry tel,
            ref float ejectionTimerSec,
            ref int ejectionState)
        {
            float m = tel.MachNumber;
            float uInf = tel.AirspeedMps;

            // 1. Heller-Rossiter 2차 모드 공진 주파수 고속 계산
            float speedRatio = 1.0f / MathF.Sqrt(1.0f + 0.5f * (GammaAir - 1.0f) * m * m);
            float denom = (m * speedRatio) + (1.0f / KvVortex);
            float rossiterF2 = (uInf / BayLengthM) * ((2.0f - AlphaLag) / MathF.Max(0.1f, denom));

            // 2. 도어 개방각에 따른 능동 공압 쉐브론 분사압 결정
            float activeBlowingBar = 0.0f;
            if (tel.BayDoorAngleDeg > 15.0f && m >= 0.85f)
            {
                // 동압 비례 능동 분사 압력 매핑 (최대 12 bar)
                activeBlowingBar = Math.Clamp(tel.DynamicPressurePa * 0.00015f, 2.0f, 12.0f);
            }

            // 3. 40G 초고속 사출 피스톤 시퀀스 FSM
            float fwdKn = 0.0f;
            float aftKn = 0.0f;

            if (ejectionState == 0 && tel.WeaponReleaseTrigger && tel.BayDoorAngleDeg >= 85.0f)
            {
                ejectionState = 1; // 사출 시작
                ejectionTimerSec = 0.0f;
            }

            if (ejectionState == 1)
            {
                ejectionTimerSec += 0.001f; // 1ms 틱 전진

                // 전방 피스톤 25kN 선제 가압 (노즈 다운 모멘트 형성)
                fwdKn = 28.0f;
                // 후방 피스톤은 12ms 지연 후 22kN 가압
                aftKn = (ejectionTimerSec >= 0.012f) ? 22.0f : 0.0f;

                // 60ms 가압 완료 후 분리 확인
                if (ejectionTimerSec >= 0.060f)
                {
                    ejectionState = 2; // 자유 비행 전환
                }
            }
            else if (ejectionState == 2)
            {
                ejectionTimerSec += 0.001f;
                fwdKn = 0.0f;
                aftKn = 0.0f;

                if (ejectionTimerSec >= 0.200f)
                {
                    ejectionState = 3; // 시퀀스 종료 및 무장창 도어 닫힘 준비
                }
            }

            return new IwbControlOutput(
                rossiterF2,
                activeBlowingBar,
                fwdKn,
                aftKn,
                ejectionState
            );
        }
    }
}

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