해군 정조대왕급 이지스 구축함 한국형 수직발사체계(KVLS-II) 고압·고온 화염 배출 플레넘(Plenum) 가스 역학 & 열차폐(Thermal Protection) FVM 1,000Hz 0-Alloc C# 엔진

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

namespace ZeliDesk.Defense.NavalSystems
{
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 16)]
    public struct PlenumThermalState
    {
        public float StagnationPressureKPa;   // 바닥 정체점 피크 압력 (kPa)
        public float MaxWallTemperatureK;     // 삭마벽면 최고 온도 (K)
        public float ExhaustMassFlowKgPs;     // 상부 해치 배출 유량 (kg/s)
        public float WaterDelugeRateLps;      // 냉각 살수 밸브 유량 (L/s)
        public bool IsOverpressureHazard;     // 플레넘 과압 위험 경보
    }

    public sealed class KvlsPlenumGasEngine
    {
        private const int DuctCells = 24;
        private const float Gamma = 1.25f;    // 고체 로켓 가스 비열비
        private const float GasConstant = 320.0f; // J/(kg·K)
        private const float DesignPressureLimitKPa = 450.0f;

        private readonly float[] _pressure = new float[DuctCells];
        private readonly float[] _temperature = new float[DuctCells];
        private PlenumThermalState _state;

        public KvlsPlenumGasEngine()
        {
            for (int i = 0; i < DuctCells; i++)
            {
                _pressure[i] = 101.3f;
                _temperature[i] = 293.15f;
            }
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public ref readonly PlenumThermalState StepPlenumDynamics(
            float motorChamberPressureMPa,
            float nozzleMach,
            float dt)
        {
            // 노즐 제트 충돌 정체 압력 계산
            float pExitKPa = motorChamberPressureMPa * 1000.0f * 0.08f;
            float m2 = nozzleMach * nozzleMach;
            float pStagKPa = pExitKPa * MathF.Pow(1.125f * m2, 5.0f) * MathF.Pow(2.25f / (2.5f * m2 - 0.25f), 4.0f);
            pStagKPa = MathF.Clamp(pStagKPa, 101.3f, 850.0f);

            _pressure[0] = pStagKPa;
            _temperature[0] = 2850.0f; // 노즐 배기 고온

            // 배기 덕트 1차원 FVM 플럭스 전파
            for (int i = 1; i < DuctCells; i++)
            {
                float dP = (_pressure[i - 1] - _pressure[i]) * 0.45f;
                _pressure[i] += dP * dt * 100.0f;
                _pressure[i] = MathF.Clamp(_pressure[i], 101.3f, 600.0f);

                float dT = (_temperature[i - 1] - _temperature[i]) * 0.35f;
                _temperature[i] += dT * dt * 100.0f;
            }

            // 상부 해치 배출 유량 (음속 노즐 쵸킹 조건)
            float exitP = _pressure[DuctCells - 1];
            float exitT = _temperature[DuctCells - 1];
            float aExit = MathF.Sqrt(Gamma * GasConstant * exitT);
            float rhoExit = (exitP * 1000.0f) / (GasConstant * exitT);
            float massFlow = 0.85f * rhoExit * aExit * 0.42f; // 유효 해치 면적 0.42m^2

            _state.StagnationPressureKPa = _pressure[0];
            _state.MaxWallTemperatureK = _temperature[0];
            _state.ExhaustMassFlowKgPs = massFlow;

            // 능동 과압 보호 및 냉각 살수(Water Deluge) 제어 루프
            if (_pressure[0] > DesignPressureLimitKPa)
            {
                _state.IsOverpressureHazard = true;
                _state.WaterDelugeRateLps = 150.0f; // 최대 살수 기동
            }
            else
            {
                _state.IsOverpressureHazard = false;
                _state.WaterDelugeRateLps = 45.0f;  // 일반 발사 냉각 살수
            }

            return ref _state;
        }
    }
}