AIDT 온디바이스 국방 MUM-T 직격요격(Hit-to-Kill) 초소형 C-UAS 유도탄 다축 DACS 추력 및 비례항법 유도 서보 엔진

1. 개요

적 군집 자폭 드론 및 초저공 초고속 기동 표적을 무력화하기 위한 대드론(Counter-UAS) 방어체계는 근접신관 파편탄의 도심지 부수 피해를 방지하기 위해 초정밀 운동에너지 직격(Hit-to-Kill) 요격탄을 운용합니다. 공기역학적 조종날개(Canard/Fin)만으로는 초저고도 교전 종말 단계의 100ms 이내 급격한 회피 기동을 추종하기에 공력 지연시간이 길어 요격 오차가 발생합니다. 따라서 미사일 중력 중심 주변에 배치된 다축 측추력 및 자세제어(DACS, Divert and Attitude Control System) 마이크로 고체 펄스 모터를 밀리초 단위로 점화하여 순간 횡방향 가속도를 생성해야 합니다. 본 고에서는 밀리미터파(MMW)/비냉각 적외선 복합 시커의 시선각속도(LOS Rate)와 잔여비행시간(Time-to-Go)을 10,000Hz 주기로 분석하여 오차 영점화(Zero-Effort-Miss) 펄스 분배를 제어하는 0-Alloc C# 엔진을 구현합니다.

2. 수학적 모델링 및 지배 방정식

3차원 비례항법(Proportional Navigation Guidance, PNG) 요구 가속도 벡터는 다음과 같습니다:

종말 요격 단계 표적 충돌 오차(Zero-Effort-Miss, ZEM) 벡터 연산식은 다음과 같습니다:

DACS 마이크로 솔리드 펄스 추력기 배열의 측추력(Divert Force) 및 점화 최적화 수식은 다음과 같습니다:

연료 소모 및 펄스 소비 횟수 최소화를 위한 펄스폭 변조(PWM) 비용함수 최적화 식은 다음과 같습니다:

3. 실시간 C# 서보 제어기 구현

다음은 복합 시커의 표적 거리/시선각속도 데이터를 10,000Hz 주기로 모니터링하여 8축 DACS 밸브 점화 펄스와 공력 조종날개 서보각을 생성하는 0-Alloc C# 엔진 구현체입니다:

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.KineticCuas
{
    public readonly ref struct CuasSeekerFrame
    {
        public readonly double RelativeDistanceMeters;
        public readonly double ClosingVelocityMps;
        public readonly double LosRatePitchRadSec;
        public readonly double LosRateYawRadSec;
        public readonly double TargetAccelLateralMps2;

        public CuasSeekerFrame(
            double relativeDistanceMeters,
            double closingVelocityMps,
            double losRatePitchRadSec,
            double losRateYawRadSec,
            double targetAccelLateralMps2)
        {
            RelativeDistanceMeters = relativeDistanceMeters;
            ClosingVelocityMps = closingVelocityMps;
            LosRatePitchRadSec = losRatePitchRadSec;
            LosRateYawRadSec = losRateYawRadSec;
            TargetAccelLateralMps2 = targetAccelLateralMps2;
        }
    }

    public ref struct KineticGuidanceCommand
    {
        public double FinDeflectionPitchDeg;
        public double FinDeflectionYawDeg;
        public byte DacsThrusterBitmask; // 8 thrusters bit flags
        public double ZemMagnitudeMeters;
        public bool IsKineticHitFeasible;
    }

    public ref struct DirectDriveKineticGuidanceServoEngine
    {
        private const double NavGainN = 4.0;
        private const double MissileMassKg = 3.5;
        private const double ThrusterForceN = 120.0;
        private readonly double _dt;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public DirectDriveKineticGuidanceServoEngine(double dt)
        {
            _dt = dt;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ComputeKineticHoming(in CuasSeekerFrame frame, out KineticGuidanceCommand cmd)
        {
            cmd = default;
            double vc = Math.Max(100.0, frame.ClosingVelocityMps);
            double tGo = Math.Max(0.001, frame.RelativeDistanceMeters / vc);

            // Proportional Navigation Guidance Lateral Acceleration
            double aCmdPitch = NavGainN * vc * frame.LosRatePitchRadSec;
            double aCmdYaw = NavGainN * vc * frame.LosRateYawRadSec;

            // Zero-Effort-Miss calculation: ZEM = 0.5 * aCmd * tGo^2
            double zemPitch = 0.5 * aCmdPitch * tGo * tGo;
            double zemYaw = 0.5 * aCmdYaw * tGo * tGo;
            double zemMag = Math.Sqrt(zemPitch * zemPitch + zemYaw * zemYaw);

            // Fin aerodynamic deflection command
            cmd.FinDeflectionPitchDeg = Math.Clamp(aCmdPitch * 0.1, -15.0, 15.0);
            cmd.FinDeflectionYawDeg = Math.Clamp(aCmdYaw * 0.1, -15.0, 15.0);

            // DACS thruster firing logic if tGo < 0.2s (Terminal 200ms) and ZEM > 0.02m
            byte dacsMask = 0;
            if (tGo < 0.20 && zemMag > 0.02)
            {
                if (zemPitch > 0.02) dacsMask |= 0x01; // Thruster 1 (Pitch Up)
                else if (zemPitch < -0.02) dacsMask |= 0x02; // Thruster 2 (Pitch Down)

                if (zemYaw > 0.02) dacsMask |= 0x04; // Thruster 3 (Yaw Right)
                else if (zemYaw < -0.02) dacsMask |= 0x08; // Thruster 4 (Yaw Left)
            }

            cmd.DacsThrusterBitmask = dacsMask;
            cmd.ZemMagnitudeMeters = zemMag;
            cmd.IsKineticHitFeasible = zemMag <= 0.03;
        }
    }
}

4. 교육 및 실무 적용 방안

• 육군 방공학교 및 국방과학연구소(ADD): 저비용 고성능 복합 C-UAS 유도제어 알고리즘 및 펄스 추력 제어 교육.
• 도심 방공 무인복합 요격체계: 민간 피해 방지형 직격 요격 초소형 유도미사일 온디바이스 탑재 실장.