대한민국 해군 마라도급 대형수송함(LPH) 가변피치 프로펠러(CPP) 캐비테이션 침식 방지 및 1,000Hz 0-Alloc C# 유압 피치각 최적화 제어 엔진

3. 1,000Hz 0-Alloc C# 마라도함 CPP 캐비테이션 방지 및 유압 제어 엔진

실시간 샤프트 센서 데이터(RPS, 축 토크, 선미 흘수, 선속)를 수신하여 캐비테이션 없는 최대 추력 피치각을 산출하는 C# 엔진 구현입니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

public ref struct LphCppCavitationControlEngine
{
    private readonly float _propellerDiameterM;
    private readonly float _bladeProjectedAreaM2;
    private readonly float _seaWaterDensity;
    private readonly float _vaporPressurePa;

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public LphCppCavitationControlEngine(
        float diameterM = 4.8f,
        float bladeAreaM2 = 11.2f,
        float density = 1025.0f,
        float vaporPressurePa = 2340.0f)
    {
        _propellerDiameterM = diameterM;
        _bladeProjectedAreaM2 = bladeAreaM2;
        _seaWaterDensity = density;
        _vaporPressurePa = vaporPressurePa;
    }

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public void OptimizePitchAngle(
        float advanceSpeedMps,
        float shaftRpm,
        float shaftImmersionDepthM,
        float requestedThrustKn,
        out float cavitationNumber,
        out float maxSafeThrustKn,
        out float targetPitchDegrees,
        out bool cavitationRisk)
    {
        float nRps = shaftRpm / 60.0f;
        float omegaR = 0.7f * MathF.PI * nRps * _propellerDiameterM;
        float vrSquared = (advanceSpeedMps * advanceSpeedMps) + (omegaR * omegaR);

        // 정수압 및 캐비테이션 수 연산
        float staticPressurePa = 101325.0f + (_seaWaterDensity * 9.80665f * shaftImmersionDepthM);
        float dynamicPressurePa = 0.5f * _seaWaterDensity * vrSquared;

        cavitationNumber = MathF.Max((staticPressurePa - _vaporPressurePa) / dynamicPressurePa, 0.05f);

        // 버릴(Burrill) 침식 방지 허용 하중 계수
        float tauLimit = 0.35f * MathF.Sqrt(MathF.Max(cavitationNumber - 0.05f, 0.001f));
        maxSafeThrustKn = (tauLimit * _bladeProjectedAreaM2 * dynamicPressurePa) / 1000.0f;

        if (requestedThrustKn > maxSafeThrustKn)
        {
            cavitationRisk = true;
            // 캐비테이션 침식 방지를 위한 피치각 완화 제어
            float ratio = maxSafeThrustKn / MathF.Max(requestedThrustKn, 1.0f);
            targetPitchDegrees = Math.Clamp(28.0f * ratio, 10.0f, 28.0f);
        }
        else
        {
            cavitationRisk = false;
            // 정상 추력 요구에 따른 비례 피치각 제어
            float demandRatio = Math.Clamp(requestedThrustKn / MathF.Max(maxSafeThrustKn, 1.0f), 0.0f, 1.0f);
            targetPitchDegrees = 12.0f + (16.0f * demandRatio);
        }
    }
}