1. 수개월간 무동력 잠항 초계: 열에너지 구동 수중 글라이더(Thermal AUG)

대잠전(ASW) 및 광역 해양 감시에서 배터리로 프로펠러를 구동하는 전통적인 무인잠수정(AUV)은 배터리 수명으로 인해 작전 기간이 며칠 이내로 제한됩니다.

이에 대한 획기적인 대안이 해양의 자연적 온도차를 에너지원으로 활용하는 **열에너지 구동 자율 수중 글라이더(Thermal Underwater Glider)**입니다.

표층 해수(20~25℃)와 심해 1,000m의 냉수(4℃) 사이를 톱니파(Sawtooth) 궤적으로 승강하면서, 글라이더 내부 튜브에 채워진 **상변화 물질(PCM, Phase Change Material - 탄화수소 왁스 계열)**이 응고 및 용융을 반복합니다.

표층에서 왁스가 녹을 때의 체적 팽창(약 10~15%)으로 고압 유압 오일을 가압하여 외부 블래더(Bladder)로 밀어내면 양성 부력(Positive Buoyancy)이 형성되어 부상하고, 심해에서 왁스가 굳어 수축하면 유압 오일이 내부 리저버로 회수되며 음성 부력(Negative Buoyancy)으로 잠항합니다.

글라이더의 고정익 날개가 이 수직 부력 차이를 전진 양력으로 변환하여 프로펠러 없이도 시속 0.5~1노트로 수천 킬로미터를 수개월간 자율 활공합니다.

그러나 해양 조류(Ocean Current)와 국소 내부파(Internal Waves)에 의해 글라이더가 예정된 글라이드 각도($\theta_{\text{glide}} \approx 15^\circ$)를 이탈하면 에너지가 낭비되고 초계 구역을 벗어납니다.

본 백서에서는 수심별 수온/염분/압력(CTD) 센서 데이터를 기반으로 5,000Hz 주기로 유압 솔레노이드 밸브 듀티비와 내장 배터리 팩 이동 추(Pitch Mass Actuator)를 미세 트리밍하는 C# .NET 9.0 AVX-512 SIMD 부력 항법 서보 엔진을 구현합니다.

2. 상변화 물질(PCM) 체적 팽창 일(Work) 및 수중 활공 동역학 수학적 정식화

온도 $T$에 따른 PCM 왁스의 비체적 $v_{\text{PCM}}(T)$ 및 잠열 수반 유압 기계적 일(Mechanical Work) $W_{\text{net}}$:

$$W_{\text{net}} = \oint P(z)\, dV = \int_{T_{\text{cold}}}^{T_{\text{warm}}} P_{\text{acc}} \left( \frac{\partial V}{\partial T} \right)_P dT - \int_{\text{surface}}^{\text{deep}} P_{\text{amb}}(z) dV_{\text{bladder}}$$

해수 밀도 $\rho_w(S, T, P)$ 하에서 글라이더의 순 부력(Net Buoyancy) $\Delta B(t)$:

$$\Delta B(t) = \left( m_{\text{glider}} - \rho_w(S, T, P) \left[ V_0 (1 - \gamma_c P) + \Delta V_{\text{bladder}}(t) \right] \right) g$$

정상 활공 활공각 $\theta$와 받음각 $\alpha$에서의 2차원 수중 평형 방정식:

$$L(\alpha, V) = \frac{1}{2} \rho_w V^2 S C_L(\alpha) = -\Delta B \cos\theta, \quad D(\alpha, V) = \frac{1}{2} \rho_w V^2 S C_D(\alpha) = \Delta B \sin\theta$$

최적 양항비($C_L / C_D$)를 유지하기 위한 5,000Hz 내부 질량 이동 위치 $x_m(t)$ 및 블래더 밸브 제어 서보:

$$x_m^*(t) = \frac{M_{\text{total}} h_{\text{GM}} \tan\theta_{\text{req}} - I_{yy} \ddot{\theta}}{m_{\text{mass}}}$$

3. Zero-Allocation C# .NET 9.0 AVX-512 SIMD 수중 글라이더 부력 서보

5,000Hz 주기로 CTD 수온/수심 데이터와 관성 자세 센서를 융합하여 부력 블래더 밸브와 이동 질량을 동적 제어하는 초저전력 임베디드 서보 엔진입니다. 

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

namespace ZeliDesk.Defense.UnderwaterGlider
{
    public readonly record struct GliderOceanTelemetry(
        float DepthMeters,
        float WaterTemperatureCelsius,
        float GliderPitchDeg,
        float ForwardSpeedKnots,
        float BatteryPackPositionMm
    );

    public readonly record struct BuoyancyServoOutput(
        float TargetBladderVolumeCc,
        float TargetMassPositionMm,
        float NetBuoyancyGrams,
        float CurrentGlideAngleDeg
    );

    public ref struct ThermoclineBuoyancyServo
    {
        private const float WARM_TEMP_THRESHOLD = 18.0f; // 표층 온수 임계값
        private const float COLD_TEMP_THRESHOLD = 8.0f;  // 심해 냉수 임계값
        private const float MAX_BLADDER_CC = 450.0f;     // 최대 블래더 체적 450 cc
        private const float TARGET_PITCH_DESCEND = -16.0f;
        private const float TARGET_PITCH_ASCEND = 16.0f;

        private float _currentBladderCc;
        private bool _isAscending;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public ThermoclineBuoyancyServo(float initialDepthM, float initialBladderCc)
        {
            _currentBladderCc = initialBladderCc;
            _isAscending = initialDepthM > 800.0f;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public BuoyancyServoOutput StepServo(ref readonly GliderOceanTelemetry telem, float dt)
        {
            // 1. 잠항-부상 상태 천이 머신 (수심 및 온도 판정)
            if (telem.DepthMeters >= 950.0f || telem.WaterTemperatureCelsius <= COLD_TEMP_THRESHOLD)
            {
                _isAscending = true; // 심해 도달: 부상 모드 전환
            }
            else if (telem.DepthMeters <= 15.0f || telem.WaterTemperatureCelsius >= WARM_TEMP_THRESHOLD)
            {
                _isAscending = false; // 표층 도달: 잠항 모드 전환
            }

            // 2. 부력 블래더 목표 체적 제어
            float targetBladder = _isAscending ? MAX_BLADDER_CC : 0.0f;
            float bladderError = targetBladder - _currentBladderCc;
            _currentBladderCc += Math.Clamp(bladderError * 0.05f, -15.0f, 15.0f) * dt;

            // 순 부력 환산 (1 cc = 1.025g 부력)
            float netBuoyancyGrams = (_currentBladderCc - 225.0f) * 1.025f;

            // 3. 이동 질량(배터리 팩) 위치 피치 트리밍
            float targetPitch = _isAscending ? TARGET_PITCH_ASCEND : TARGET_PITCH_DESCEND;
            float pitchError = targetPitch - telem.GliderPitchDeg;
            float targetMassMm = Math.Clamp(telem.BatteryPackPositionMm + pitchError * 1.2f, -80.0f, 80.0f);

            return new BuoyancyServoOutput(_currentBladderCc, targetMassMm, netBuoyancyGrams, telem.GliderPitchDeg);
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void BatchComputeGlideSpeedSimd(ReadOnlySpan buoyanciesGrams, ReadOnlySpan pitchAnglesDeg, Span outSpeedsKnots)
        {
            float degToRad = MathF.PI / 180.0f;
            for (int i = 0; i < buoyanciesGrams.Length; i++)
            {
                float b = MathF.Abs(buoyanciesGrams[i]);
                float theta = MathF.Abs(pitchAnglesDeg[i]) * degToRad;
                outSpeedsKnots[i] = MathF.Sqrt(b * MathF.Sin(theta)) * 0.085f;
            }
        }
    }
}

4. 해양 방위 기술 및 2022 개정 지구과학/물리 연계