대한민국 해군 한국형 초음속 대함 순항유도탄(해성-IV) 마하 3.0 충격파 경계층 제어 가변 흡입구 및 1,000Hz 0-Alloc C# 램제트 연소제어 엔진

제1장: 마하 3.0 경사충격파 압축 및 흡입구 전압력 회복률 수식

진입 마하수 $M_1 = 3.0$, 쐐기각(Ramp Angle) $\theta$, 충격파 각도 $\beta$, 비열비 $\gamma = 1.4$일 때, 2차원 경사충격파 $\theta-\beta-M$ 관계식 및 전압력 회복률 $\eta_{\text{pt}} = P_{t2} / P_{t1}$은 다음과 같습니다:

제2장: 흡입구 불시동(Unstart) 감지 및 능동 블리드 제어 FSM

연소실 역압력(Back Pressure) 급증 및 기동 받음각 외란으로 인한 불시동 충격파 붕괴를 $1\,\text{ms}$ 내에 방어하는 3단계 상태 기계 메커니즘은 다음과 같습니다:

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

1ms 실시간 루프에서 GC 부하 없이 압력 센서 데이터를 읽고 가변 램프 서보 및 연료 분사 밸브를 제어하는 순수 C# 코어입니다:

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.Haeseong4
{
    /// 

    /// 초음속 램제트 흡입구 텔레메트리 (스택 전용 0-Alloc)
    /// 
    public readonly struct RamjetTelemetry
    {
        public readonly float MachNumber;        // 비행 마하수 M
        public readonly float AngleOfAttackDeg;  // 받음각 alpha (도)
        public readonly float LipStaticPressureKpa;// 립 정압 P_lip (kPa)
        public readonly float ThroatPressureKpa; // 목부 정압 P_throat (kPa)
        public readonly float CombustorTempK;    // 연소실 온도 (K)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public RamjetTelemetry(float mach, float aoa, float lipP, float throatP, float temp)
        {
            MachNumber = mach;
            AngleOfAttackDeg = aoa;
            LipStaticPressureKpa = lipP;
            ThroatPressureKpa = throatP;
            CombustorTempK = temp;
        }
    }

    /// 

    /// 흡입구 램프 및 연료 분사 제어 지령
    /// 
    public readonly struct RamjetControlOutput
    {
        public readonly float Ramp1AngleDeg;     // 1단 가변 램프각 (도)
        public readonly float Ramp2AngleDeg;     // 2단 가변 램프각 (도)
        public readonly float BleedDoorOpenPct;  // 블리드 도어 개도율 (0~100%)
        public readonly float FuelFlowKgPerSec;  // 액체 탄화수소 연료 유량 (kg/s)
        public readonly bool UnstartWarning;     // 불시동 위험 경보 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public RamjetControlOutput(float r1, float r2, float bleed, float fuel, bool unstart)
        {
            Ramp1AngleDeg = r1;
            Ramp2AngleDeg = r2;
            BleedDoorOpenPct = bleed;
            FuelFlowKgPerSec = fuel;
            UnstartWarning = unstart;
        }
    }

    /// 

    /// 해군 해성-IV 1,000Hz 0-Alloc 초음속 램제트 흡입구 연소제어 코어
    /// 
    public ref struct Haeseong4RamjetEngine
    {
        public const float TargetCombustorTempK = 2250.0f; // 목표 연소실 온도 2,250K
        public const float UnstartThreshold = 0.75f;       // 불시동 압력비 임계치 0.75
        public const float MaxFuelFlowKgS = 1.85f;         // 최대 연료 공급 한계

        /// 

        /// 1,000Hz 결정론적 흡입구 충격파 제어 및 연료 제어 연산
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static RamjetControlOutput EvaluateControl(in RamjetTelemetry tel)
        {
            // 1. 목부-립 정압비 산출
            float pressureRatio = tel.LipStaticPressureKpa / MathF.Max(tel.ThroatPressureKpa, 1.0f);
            bool unstartRisk = pressureRatio >= UnstartThreshold || MathF.Abs(tel.AngleOfAttackDeg) > 8.0f;

            // 2. 마하수에 따른 가변 램프 각도 스케줄링 (M=3.0 기준 최적 쐐기각)
            float machClamp = Math.Clamp(tel.MachNumber, 2.0f, 3.5f);
            float ramp1 = 7.0f + (machClamp - 2.0f) * 1.5f - (tel.AngleOfAttackDeg * 0.3f);
            float ramp2 = 12.0f + (machClamp - 2.0f) * 2.0f - (tel.AngleOfAttackDeg * 0.4f);

            float bleedPct = 0.0f;
            float fuelFlow = 0.0f;

            // 3. 불시동 비상 방어 모드
            if (unstartRisk)
            {
                // 블리드 도어를 즉시 100% 개방하여 배압 완화
                bleedPct = 100.0f;
                // 연료 공급 급감으로 연소실 폭주 압력 차단
                fuelFlow = 0.4f;
            }
            else
            {
                // 정상 순항 모드: 정압비 기반 블리드 도어 미세 조절
                bleedPct = Math.Clamp((pressureRatio - 0.50f) * 200.0f, 0.0f, 60.0f);

                // 연소실 온도 제어 (비례-적분 피드백)
                float tempErr = TargetCombustorTempK - tel.CombustorTempK;
                fuelFlow = Math.Clamp(1.2f + (tempErr * 0.0015f), 0.5f, MaxFuelFlowKgS);
            }

            return new RamjetControlOutput(
                Math.Clamp(ramp1, 5.0f, 12.0f),
                Math.Clamp(ramp2, 10.0f, 18.0f),
                bleedPct,
                fuelFlow,
                unstartRisk
            );
        }
    }
}

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