대한민국 해군 윤영하급 유도탄고속함(PKG) 4연장 워터제트 추력 벡터링 급선회 및 1,000Hz 0-Alloc C# 캐비테이션 회피 제어 엔진

3. 1,000Hz 0-Alloc C# 윤영하급 워터제트 추력 벡터링 및 급선회 제어 엔진

자이로 나침반 및 워터제트 임펠러 압력 센서를 1ms 주기로 해석하여 4개 노즐의 유압 각도를 실시간 지령하는 C# 엔진 코드입니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

public ref struct PkgWaterjetThrustVectoringEngine
{
    private readonly float _shipLengthM;
    private readonly float _shipBeamM;
    private readonly float _maxNozzleAngleDeg;

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public PkgWaterjetThrustVectoringEngine(
        float lengthM = 63.0f,
        float beamM = 9.1f,
        float maxNozzleAngle = 32.0f)
    {
        _shipLengthM = lengthM;
        _shipBeamM = beamM;
        _maxNozzleAngleDeg = maxNozzleAngle;
    }

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public void ComputeVectoringNozzles(
        float currentSpeedKnots,
        float demandedTurnRateDegPerSec,
        float currentYawRateDegPerSec,
        ReadOnlySpan jetThrustsKn, // 4 waterjets: P1, P2, S2, S1
        Span nozzleAnglesDeg,
        out float estimatedNpshaMarginMetres,
        out bool cavitationRiskWarning)
    {
        float speedMps = currentSpeedKnots * 0.514444f;

        // 1. 유효 흡입 수두(NPSHA) 마진 산출 (정압 + 유입 동압 - 증기압)
        float dynamicHeadM = (speedMps * speedMps) / (2.0f * 9.80665f);
        float staticHeadM = 10.1f + 1.8f; // 대기압수두 + 흡입구 수심
        float npsha = staticHeadM + dynamicHeadM - 0.24f; // 증기압 수두 제외

        // 선회 편류각에 따른 흡입구 유동 왜곡 감점 (선회율 비례)
        float driftPenalty = MathF.Abs(currentYawRateDegPerSec) * 0.45f;
        estimatedNpshaMarginMetres = npsha - (7.5f + driftPenalty); // NPSHR = 7.5m 가정

        cavitationRiskWarning = (estimatedNpshaMarginMetres < 1.0f);

        // 2. 요구 선회율에 따른 비례 노즐 편향각 산출
        float turnError = demandedTurnRateDegPerSec - currentYawRateDegPerSec;
        float baseNozzleDeflection = Math.Clamp(turnError * 3.5f, -_maxNozzleAngleDeg, _maxNozzleAngleDeg);

        // 캐비테이션 위험 시 외측 노즐 각도 완화 제어
        if (cavitationRiskWarning)
        {
            baseNozzleDeflection *= 0.75f;
        }

        // 4개 워터제트 차등 조향 분배 (내측/외측 최적 선회 모멘트 형성)
        for (int i = 0; i < 4; i++)
        {
            // 좌우 노즐 간 약간의 내측 토인(Toe-in) 보정으로 추력 효율 최적화
            float toeIn = (i < 2) ? 1.5f : -1.5f;
            nozzleAnglesDeg[i] = Math.Clamp(baseNozzleDeflection + toeIn, -_maxNozzleAngleDeg, _maxNozzleAngleDeg);
        }
    }
}