대한민국 해군 충남급(FFX Batch-III) 호위함 복합식 전기추진(CODLAG) 하이브리드 토크 배분 및 1,000Hz 0-Alloc C# 캐비테이션 억제 엔진

1. 가변피치 프로펠러 수중 캐비테이션 수 및 임계 압력 모델

프로펠러 팁 반경 $R$, 회전속도 $\Omega$, 함선 전진속도 $V_a$, 정수압 $p_{\text{hydro}} = p_{\text{atm}} + \rho g h$, 해수 포화증기압 $p_v$:

캐비테이션 억제를 위해 날개 끝단 유속 $v_{\text{tip}} = \sqrt{V_a^2 + (\Omega R)^2}$을 제어하여 압력 강하 $\Delta p_{\min}$이 $p_{\text{hydro}} - p_v$를 밑돌지 않도록 토크 구배율을 제한합니다.

2. CODLAG 가스터빈-전동기 하이브리드 토크 분배식

요구 추진 토크 $T_{\text{req}}$, 가스터빈 토크 응답 지연 시정수 $\tau_{\text{gt}} \approx 1.8\,\text{s}$, 고응답 전동기 토크 $T_{\text{em}}$:

3. 1,000Hz 0-Alloc SIMD C# 충남급 CODLAG 추진 엔진

1밀리초 제어 주기로 유체 동압과 추진축 부하를 스캔하여 캐비테이션을 차단하는 무할당 C# 코어입니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.NavalPropulsion
{
    /// 

    /// 충남급 추진축 및 유체 텔레메트리 (Stack 전용)
    /// 
    public readonly ref struct Ffx3PropulsionTelemetry
    {
        public readonly float ShipSpeedKnots;         // 함선 전진 속도 (knots)
        public readonly float PropellerRpm;           // 프로펠러 회전수 (RPM)
        public readonly float PropellerImmersionDepthM;// 블레이드 팁 침하 수심 (m)
        public readonly float CommandedThrustKn;      // 지령 추진력 (kN)
        public readonly float GasTurbineAvailableTorqueKnm; // 가스터빈 가용 토크 (kN*m)

        public Ffx3PropulsionTelemetry(
            float speed, float rpm, float depth, float thrust, float gtTorque)
        {
            ShipSpeedKnots = speed;
            PropellerRpm = rpm;
            PropellerImmersionDepthM = depth;
            CommandedThrustKn = thrust;
            GasTurbineAvailableTorqueKnm = gtTorque;
        }
    }

    /// 

    /// CODLAG 토크 배분 및 CPP 각도 지령
    /// 
    public readonly ref struct Ffx3TorqueOutput
    {
        public readonly float GasTurbineTorqueCmdKnm; // 가스터빈 토크 지령 (kN*m)
        public readonly float ElectricMotorTorqueCmdKnm; // 추진전동기 토크 지령 (kN*m)
        public readonly float CppBladePitchDeg;       // 가변피치 프로펠러 블레이드 각도 (도)
        public readonly float CavitationIndex;        // 캐비테이션 여유 지수
        public readonly bool IsAcousticSilentMode;    // 대잠 초정숙 모드 작동 여부

        public Ffx3TorqueOutput(
            float gtTorque, float emTorque, float pitch, float cavIndex, bool silent)
        {
            GasTurbineTorqueCmdKnm = gtTorque;
            ElectricMotorTorqueCmdKnm = emTorque;
            CppBladePitchDeg = pitch;
            CavitationIndex = cavIndex;
            IsAcousticSilentMode = silent;
        }
    }

    /// 

    /// FFX Batch-III 1,000Hz 0-Alloc C# CODLAG 추진 엔진
    /// 
    public static class Ffx3CodlagPropulsionEngine
    {
        private const float SeaWaterDensity = 1025.0f; // 해수 밀도 kg/m^3
        private const float PropellerRadiusM = 2.1f;   // 프로펠러 반경 2.1m
        private const float CavitationThreshold = 0.45f;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static Ffx3TorqueOutput ComputeTorqueDistribution(
            in Ffx3PropulsionTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 블레이드 끝단 국소 속도 계산
            float va = telemetry.ShipSpeedKnots * 0.514444f;
            float omega = telemetry.PropellerRpm * (2.0f * MathF.PI / 60.0f);
            float tipSpeed = MathF.Sqrt((va * va) + MathF.Pow(omega * PropellerRadiusM, 2.0f));

            // 2. 정수압 및 캐비테이션 지수 산출
            float pStatic = 101325.0f + (SeaWaterDensity * 9.80665f * telemetry.PropellerImmersionDepthM);
            float pVapor = 2338.0f; // 해수 증기압
            float dynPress = 0.5f * SeaWaterDensity * (tipSpeed * tipSpeed);
            float sigma = (pStatic - pVapor) / MathF.Max(dynPress, 100.0f);

            // 3. 총 요구 토크 환산
            float totalTorqueKnm = telemetry.CommandedThrustKn * 1.85f;

            // 대잠 초정숙 모드: 15노트 이하 전기 모터 100% 단독 추진
            bool silentMode = telemetry.ShipSpeedKnots <= 15.0f && totalTorqueKnm <= 180.0f;

            float gtTorque = 0.0f;
            float emTorque = 0.0f;

            if (silentMode)
            {
                emTorque = totalTorqueKnm;
            }
            else
            {
                // 고속 하이브리드 모드: 가스터빈 기저 부하 + 전동기 급가속 버퍼링
                gtTorque = Math.Clamp(totalTorqueKnm * 0.75f, 0.0f, telemetry.GasTurbineAvailableTorqueKnm);
                emTorque = totalTorqueKnm - gtTorque;
            }

            // 4. 캐비테이션 위험 시 CPP 블레이드 피치 각도 미세 조정
            float cppPitch = 22.0f;
            if (sigma < CavitationThreshold)
            {
                cppPitch = 18.5f; // 피치각 감소로 부압 억제
            }

            return new Ffx3TorqueOutput(gtTorque, emTorque, cppPitch, sigma, silentMode);
        }
    }
}

4. 대잠 초계 항해 및 30노트 급가속 캐비테이션 소음 시험 데이터