대한민국 해군 검독수리급(PKMR) 200톤 고속정 40노트 고속 항주 시 3축 워터제트 조향 노즐 추진 벡터 및 1,000Hz 0-Alloc C# 선체 동적 인터셉터(Interceptor) 파도 관통 능동 자세 복원 엔진

1. 3축 워터제트 조향 노즐 추진력 및 3차원 추력 벡터 기하학

중앙 1축 및 좌우 2축으로 구성된 3기의 워터제트 펌프가 흡입구로부터 해수를 흡입하여 직경 $D_j$의 노즐로 분출할 때 생성되는 유효 추력 $T_{ ext{wj}}$는 뉴턴의 운동량 보존 법칙에 의해 결정됩니다:

좌측, 중앙, 우측 워터제트의 수평 조향각 $\delta_h$ 및 후진 버킷(Reversing Bucket) 전개각 $\delta_v$에 따른 함정 좌표계 합성 추력 벡터 $ec{T}_{ ext{total}}$은 다음과 같습니다:

중앙 워터제트는 강력한 순수 전진 추력을 전담하고, 좌우 워터제트는 $\pm 30^\circ$의 고속 조향각 차등 편향을 통해 40노트 선회 시에도 조타 타면 저항 없이 거대한 요잉(Yawing) 모멘트 $M_z = T_R y_R - T_L y_L$을 즉각 생성합니다.

2. 함미 트랜섬 동적 인터셉터(Interceptor) 유체 양력 및 포포이징 억제

선미 트랜섬 하단부에 수직으로 돌출되는 2개의 동적 인터셉터 블레이드는 선저 바닥을 따라 흐르는 고속 한계 유동을 정체(Stagnation)시켜 선미 바닥에 국소 고압대($\Delta P_{ ext{bottom}}$)를 형성합니다. 돌출 깊이 $h_{ ext{int}}(t)$에 따른 추가 양력 $L_{ ext{int}}$는 다음과 같습니다:

인터셉터 양력 중심이 선체 무게중심(CG)으로부터 후방 $x_{ ext{int}} pprox 18.5\, ext{m}$에 위치하므로, 거대한 선수 압하 복원 피칭 모멘트 $M_{ ext{pitch}} = -L_{ ext{int}} \cdot x_{ ext{int}}$가 생성되어 활주 중 선수 들림(Trim Rise)과 포포이징 진동을 완벽히 차단합니다:

좌우 인터셉터의 비대칭 차등 전개($\Delta h = h_R - h_L$)는 고속 선회 시 발생하는 선체 외측 원심 횡경사(Roll Angle)를 즉각 수평 복원하는 $M_{ ext{roll}}$을 동시에 제공합니다.

3. 1,000Hz 0-Alloc C# PkmrWaterjetInterceptorEngine.cs 구현

다음은 선체 중앙 링 레이저 자이로(RLG) IMU, 해수 유속계, 3축 워터제트 상태로부터 신호를 1밀리초 주기로 수신하여 가비지 컬렉션(GC) 0% 무할당으로 서보 인터셉터 스트로크 및 워터제트 조향 벡터를 산출하는 온디바이스 엔진입니다.

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

namespace ZeliDesk.Defense.NavyPatrol
{
    /// <summary>
    /// PKMR 고속정 항해 및 내항성 센서 텔레메트리 (1,000Hz)
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public struct PkmrSeakeepingTelemetry
    {
        public Vector3 HullOrientationDeg;   // Roll(X), Pitch(Y), Yaw(Z) [도]
        public Vector3 AngularRateDegPerS;   // RollRate, PitchRate, YawRate [도/s]
        public Vector3 AccelerationG;        // Heave(Z), Sway(Y), Surge(X) [G]
        public float ShipSpeedKnots;         // 함속 [노트] (정격: 40노트)
        public float RudderCommandDeg;       // 함교 지령 타각 [도]
        public float WaterjetRpm;            // 워터제트 임펠러 회전수 [RPM]
        public bool PlaningModeActive;       // 활주 고속 항주 모드 플래그
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 인터셉터 및 워터제트 노즐 제어 지령
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public struct PkmrActuatorCommand
    {
        public float LeftInterceptorStrokeMm; // 좌현 인터셉터 하강 스트로크 [mm] (0 ~ 50mm)
        public float RightInterceptorStrokeMm;// 우현 인터셉터 하강 스트로크 [mm] (0 ~ 50mm)
        public float PortNozzleSteeringDeg;   // 좌현 워터제트 노즐 조향각 [도]
        public float StbdNozzleSteeringDeg;   // 우현 워터제트 노즐 조향각 [도]
        public float RestoringPitchMomentKnM; // 계산된 자세 복원 피칭 모멘트 [kN·m]
        public bool PorpoisingAlert;          // 포포이징 자려 진동 감지 경보
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당(Zero-Alloc) PKMR 워터제트 및 인터셉터 통합 자세 복원 엔진
    /// </summary>
    public ref struct PkmrWaterjetInterceptorEngine
    {
        private const float SeawaterDensity = 1025.0f; // 해수 밀도 [kg/m^3]
        private const float InterceptorWidthM = 1.25f; // 단일 인터셉터 폭 [m]
        private const float LeverArmXM = 18.5f;        // 선체 CG-인터셉터 거리 [m]
        private const float MaxStrokeMm = 50.0f;       // 최대 돌출 스트로크 [mm]
        private const float OptimalTrimPitchDeg = 2.2f;// 40노트 최적 활주 트림각 [도]

        private float _lastPitchRate;
        private float _pitchIntegral;

        public PkmrWaterjetInterceptorEngine(float initialPitch = 0.0f)
        {
            _lastPitchRate = initialPitch;
            _pitchIntegral = 0.0f;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (dt = 0.001s) 초고속 인터셉터 유압 서보 및 워터제트 조향 루프
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Update(in PkmrSeakeepingTelemetry telemetry, ref PkmrActuatorCommand cmd)
        {
            const float dt = 0.001f;

            // 1. 포포이징(Porpoising) 위험 감지 (피치각속도 주파수 및 Heave 가속도 복합 판정)
            float pitchRate = telemetry.AngularRateDegPerS.Y;
            float heaveAcc = MathF.Abs(telemetry.AccelerationG.Z);
            cmd.PorpoisingAlert = (MathF.Abs(pitchRate) > 4.5f) && (heaveAcc > 1.35f);

            // 2. 고속 활주 시 최적 종트림(Pitch) 복원 계산
            float speedMps = telemetry.ShipSpeedKnots * 0.514444f;
            float pitchErr = telemetry.HullOrientationDeg.Y - OptimalTrimPitchDeg;
            _pitchIntegral = Math.Clamp(_pitchIntegral + pitchErr * dt, -5.0f, 5.0f);
            float pitchDeriv = (pitchRate - _lastPitchRate) / dt;
            _lastPitchRate = pitchRate;

            // 공통 베이스 인터셉터 스트로크 (피치 억제)
            float kP_pitch = 8.5f;
            float kI_pitch = 0.5f;
            float kD_pitch = 0.15f;
            float baseStroke = (kP_pitch * pitchErr) + (kI_pitch * _pitchIntegral) + (kD_pitch * pitchRate);

            if (cmd.PorpoisingAlert)
            {
                baseStroke += 12.0f; // 포포이징 급속 억제를 위한 긴급 선미 가압
            }

            // 3. 횡동요(Roll) 억제 차등 스트로크 (선회 외측 롤 복원)
            float rollErr = telemetry.HullOrientationDeg.X;
            float rollRate = telemetry.AngularRateDegPerS.X;
            float diffStroke = (rollErr * 3.2f) + (rollRate * 0.45f);

            // 좌/우 인터셉터 최종 스트로크 분배
            float strokeL = Math.Clamp(baseStroke - diffStroke, 0.0f, MaxStrokeMm);
            float strokeR = Math.Clamp(baseStroke + diffStroke, 0.0f, MaxStrokeMm);

            cmd.LeftInterceptorStrokeMm = strokeL;
            cmd.RightInterceptorStrokeMm = strokeR;

            // 4. 워터제트 좌/우 노즐 조향 연동 (함교 타각 추종)
            float steerRatio = Math.Clamp(telemetry.RudderCommandDeg, -30.0f, 30.0f);
            cmd.PortNozzleSteeringDeg = steerRatio;
            cmd.StbdNozzleSteeringDeg = steerRatio;

            // 5. 생성된 유체 복원 피칭 모멘트 산출
            float avgStrokeM = ((strokeL + strokeR) * 0.5f) * 0.001f;
            float dynPressure = 0.5f * SeawaterDensity * (speedMps * speedMps);
            float liftForceN = dynPressure * (InterceptorWidthM * 2.0f) * avgStrokeM * 0.65f;
            cmd.RestoringPitchMomentKnM = -(liftForceN * LeverArmXM) * 0.001f;
        }
    }
}

4. 2022 개정 물리·수학·정보 교육과정 연계표