대한민국 해군 도산안창호급(KSS-III) 잠수함 비관통형 광학 잠망경 3축 안정화 및 1,000Hz 0-Alloc C# 진동 감쇠 엔진

1. 마스트 유체탄성학 와류 유기 진동(VIV) 및 외란 모멘트 모델

마스트 직경 $D_m$, 유속 $U_\infty$, 스트라우스 수 $\text{St} \approx 0.20$에 따른 와류 방출 주파수 $f_s$ 및 양력 진동 하중 $F_L(t)$:

오일러-베르누이 보(Euler-Bernoulli Beam) 마스트 끝단 처짐 $w(L_m, t)$ 및 각진동 $\theta_v$:

2. 3축 짐벌 관성 시선 안정화 및 압전 댐퍼 역위상 상쇄식

광학 마스트 헤드 레이저 자이로 각속도 $\vec{\omega}_{\text{head}}$에 대해 시선 지향각 오차를 0으로 수렴시키는 모터 지령 토크 $\vec{T}_{\text{cmd}}$:

3. 1,000Hz 0-Alloc SIMD C# KSS-III 광학 마스트 안정화 엔진

1밀리초 제어 주기에서 GC 없이 마스트 VIV 진동을 실시간 감쇠하고 광학 시선을 마이크로라디안 수준으로 유지하는 고성능 C# 엔진입니다.

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

namespace ZeliDesk.Defense.SubmarineOptronics
{
    /// 

    /// 광학 마스트 센서 헤드 각운동 텔레메트리 (Stack 전용)
    /// 
    public readonly ref struct MastHeadTelemetry
    {
        public readonly Vector3 GyroAngularRateRps;    // 헤드 3축 각속도 (롤, 피치, 요)
        public readonly Vector3 LinearAccelMps2;       // 3축 선형 가속도
        public readonly float WaterFlowSpeedKnots;     // 수중 유속 (노트)
        public readonly float VivVibrationAmplitudeMm; // VIV 진동 진폭 (mm)

        public MastHeadTelemetry(
            Vector3 gyro, Vector3 accel, float knots, float vivAmp)
        {
            GyroAngularRateRps = gyro;
            LinearAccelMps2 = accel;
            WaterFlowSpeedKnots = knots;
            VivVibrationAmplitudeMm = vivAmp;
        }
    }

    /// 

    /// 마스트 3축 짐벌 토크 및 압전 감쇠 출력
    /// 
    public readonly ref struct MastControlOutput
    {
        public readonly Vector3 GimbalMotorTorqueNm;   // 3축 짐벌 모터 지령 토크
        public readonly float PiezoDampingVoltageV;    // 압전 댐퍼 역위상 구동 전압 (V)
        public readonly float LosJitterUrad;           // 시선 지터 잔차 (마이크로라디안)
        public readonly bool IsImageStabilized;        // 영상 안정화 성공 여부

        public MastControlOutput(Vector3 torque, float piezoV, float jitter, bool stable)
        {
            GimbalMotorTorqueNm = torque;
            PiezoDampingVoltageV = piezoV;
            LosJitterUrad = jitter;
            IsImageStabilized = stable;
        }
    }

    /// 

    /// KSS-III 1,000Hz 0-Alloc C# 광학 마스트 3축 관성 안정화 엔진
    /// 
    public static class OptronicMastStabilizationEngine
    {
        private const float MaxGimbalTorqueNm = 6.5f;   // 짐벌 모터 최대 토크
        private const float TargetJitterLimitUrad = 35.0f;// 35 마이크로라디안 이하 유지

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static MastControlOutput ComputeStabilization(
            in MastHeadTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 자이로 각속도 비례-미분 역토크 계산 (시선 안정화)
            const float KpRate = 28.0f;
            Vector3 torque = -telemetry.GyroAngularRateRps * KpRate;

            // 토크 클램핑
            torque = new Vector3(
                Math.Clamp(torque.X, -MaxGimbalTorqueNm, MaxGimbalTorqueNm),
                Math.Clamp(torque.Y, -MaxGimbalTorqueNm, MaxGimbalTorqueNm),
                Math.Clamp(torque.Z, -MaxGimbalTorqueNm, MaxGimbalTorqueNm)
            );

            // 2. 고주파 VIV 진동 억제 압전 댐퍼 역위상 전압 제어 (0~150V)
            float piezoV = telemetry.VivVibrationAmplitudeMm * 45.0f;
            piezoV = Math.Clamp(piezoV, 0.0f, 150.0f);

            // 3. 잔류 시선 지터 추정 (마이크로라디안)
            float rateNorm = telemetry.GyroAngularRateRps.Length();
            float jitterUrad = (rateNorm * 0.15f + telemetry.VivVibrationAmplitudeMm * 0.08f) * 1e6f;

            bool isStable = jitterUrad <= TargetJitterLimitUrad;

            return new MastControlOutput(torque, piezoV, jitterUrad, isStable);
        }
    }
}

4. 잠망경 심도 10노트 항해 HIL 시뮬레이션 및 교육적 가치