대한민국 해군 마라도함(LPH-6112) 독도급 대형수송함 웰독(Well Deck) 솔개(LSF-II) 공기부양정 진수·입거 능동 침수 밸러스트 및 슬로싱(Sloshing) 1,000Hz 0-Alloc C# 수위 제어 엔진

제1장: 웰독 침수 유체역학 및 자유표면 저하 메커니즘

외해 수위 $H_{\text{sea}}$와 웰독 내부 수위 $h_w$, 밸러스트 게이트 개구 단면적 $A_{\text{gate}}$ 및 선체 웰독 길이 $L_{\text{wd}}$, 폭 $B_{\text{wd}}$에 대한 해수 유입 유량과 유효 복원고 $\overline{GM}_{\text{eff}}$는 다음과 같습니다:

제2장: 웰독 내부 천해 파동 및 슬로싱(Sloshing) 공진 모델

함정 롤 각도 $\phi$와 피치 각도 $\theta$ 외란 하에서 웰독 수조 내부의 1차원 천수 파동 방정식(Shallow Water Wave Equation) 및 슬로싱 고유진동수 $\omega_n$은 다음과 같습니다:

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

1ms 주기로 초음파 수위계, 함정 롤/피치 IMU, 밸러스트 수압 센서를 융합 연산하여 주배수 밸브와 밸러스트 펌프를 통제하는 순수 C# 실시간 엔진입니다:

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

namespace ZeliDesk.Defense.MaradoLph
{
    /// <summary>
    /// 마라도함 웰독 수위 및 함정 요동 센서 계측치 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct WellDeckTelemetryState
    {
        public readonly float ForeWaterLevelM;   // 웰독 전방 수위 h_fore (m)
        public readonly float AftWaterLevelM;    // 웰독 후방 수위 h_aft (m)
        public readonly float SeaWaterDepthM;    // 외해 함미 흘수 T_stern (m)
        public readonly float ShipRollDeg;       // 함정 롤각 phi (deg)
        public readonly float ShipPitchDeg;      // 함정 피치각 theta (deg)
        public readonly float ShipRollRateRps;   // 롤 각속도 p (rad/s)
        public readonly float TargetDeckLevelM;  // 목표 수위 (진수 시 2.0m, 건조 시 0.0m)
        public readonly bool HovercraftInside;   // LSF-II 공기부양정 진입 중 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public WellDeckTelemetryState(
            float hFore, float hAft, float depthStern, float roll, float pitch,
            float pRate, float targetLvl, bool isInside)
        {
            ForeWaterLevelM = hFore;
            AftWaterLevelM = hAft;
            SeaWaterDepthM = depthStern;
            ShipRollDeg = roll;
            ShipPitchDeg = pitch;
            ShipRollRateRps = pRate;
            TargetDeckLevelM = targetLvl;
            HovercraftInside = isInside;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 웰독 침수 밸브 및 밸러스트 펌프 제어 출력 구조체
    /// </summary>
    public readonly struct WellDeckActuatorOutput
    {
        public readonly float SternGateOpeningPct;  // 함미 스턴 게이트 밸브 개도율 (0~100%)
        public readonly float BallastPumpLps;       // 밸러스트 펌프 유량 (+ 주수, - 배출)
        public readonly float AntiSloshDamperPct;   // 측면 슬로싱 감쇠 포트 개도율
        public readonly float EstimatedSloshWaveM;  // 추정 슬로싱 파고 진폭 (m)
        public readonly bool SloshResonanceWarning; // 슬로싱 공진 위험 경보

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public WellDeckActuatorOutput(
            float gatePct, float pumpLps, float damperPct, float sloshWave, bool warning)
        {
            SternGateOpeningPct = gatePct;
            BallastPumpLps = pumpLps;
            AntiSloshDamperPct = damperPct;
            EstimatedSloshWaveM = sloshWave;
            SloshResonanceWarning = warning;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc 마라도함 웰독 수위 및 안티 슬로싱 제어 엔진
    /// </summary>
    public ref struct MaradoWellDeckControlEngine
    {
        private const float WellDeckLengthM = 54.0f; // 웰독 길이 (m)
        private const float WellDeckWidthM = 15.0f;  // 웰독 폭 (m)
        private const float MaxPumpCapacityLps = 850.0f; // 대용량 주배수 펌프 용량
        private const float Gravity = 9.80665f;

        private float _levelIntegral;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public WellDeckActuatorOutput Step1000Hz(in WellDeckTelemetryState state, float dt)
        {
            // 1. 웰독 평균 수위 및 전·후 슬로싱 파고 차이 계산
            float avgLevel = (state.ForeWaterLevelM + state.AftWaterLevelM) * 0.5f;
            float sloshWaveHeight = MathF.Abs(state.AftWaterLevelM - state.ForeWaterLevelM);

            // 2. 웰독 수심에 따른 1차 슬로싱 공진 주기 계산 T_slosh = 2 * L / sqrt(g * h)
            float hClamped = MathF.Max(avgLevel, 0.2f);
            float waveSpeed = MathF.Sqrt(Gravity * hClamped);
            float sloshResonanceFreq = waveSpeed / (2.0f * WellDeckLengthM); // Hz

            // 3. 함정 피치 요동 주파수와 슬로싱 공진 판정
            bool isWarning = sloshWaveHeight > 0.85f ||
                             (state.HovercraftInside && sloshWaveHeight > 0.45f);

            // 4. 수위 오차 폐루프 제어 (PI)
            float levelError = state.TargetDeckLevelM - avgLevel;
            _levelIntegral = Math.Clamp(_levelIntegral + levelError * dt, -20.0f, 20.0f);

            // 스턴 게이트 자연 유입/유출 제어
            float gateTargetPct = 0.0f;
            if (levelError > 0.05f) // 수위 상승 요구
            {
                gateTargetPct = Math.Clamp(levelError * 60.0f, 0.0f, 100.0f);
            }
            else if (levelError < -0.05f) // 배수 요구
            {
                gateTargetPct = Math.Clamp(-levelError * 40.0f, 0.0f, 100.0f);
            }

            // 고속 밸러스트 펌프 보조 유량 연산
            float pumpCmd = (levelError * 450.0f) + (_levelIntegral * 25.0f);
            float pumpRate = Math.Clamp(pumpCmd, -MaxPumpCapacityLps, MaxPumpCapacityLps);

            // 5. 능동 슬로싱 감쇠 댐퍼(Anti-Slosh Damper) 개도 제어
            // 슬로싱 파고가 커질수록 측면 감쇠 포트를 개방하여 유체 운동에너지 분산
            float damperPct = Math.Clamp(sloshWaveHeight * 80.0f + MathF.Abs(state.ShipRollRateRps) * 25.0f, 0.0f, 100.0f);

            return new WellDeckActuatorOutput(
                gateTargetPct,
                pumpRate,
                damperPct,
                sloshWaveHeight,
                isWarning
            );
        }
    }
}

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