대한민국 해군 스마트 네이비(Navy Sea GHOST) 고속 전투용 무인수상정(USV) 광파랑(Sea State 5) 활주정 슬래밍(Slamming) 충격 완화 및 1,000Hz 0-Alloc C# 활주 제어 엔진

제1장: 사비츠키(Savitsky) 고속 활주정 동수압 양력 및 슬래밍 충격 수식

선폭 $b$, 선체 중량 $W$, 활주 속도 $V$, 정적 트림각 $ au$, 데드라이즈각(Deadrise Angle) $eta$일 때, 유효 동수압 양력 계수 $C_L$ 및 순시 슬래밍 압력 피크 $p_{ ext{slam}}$은 다음과 같습니다:

제2장: 능동 인터셉터(Active Interceptor) 및 워터제트 벡터링 FSM

파랑 돌입 순간 선체 피치각 및 수직 가속도 급변에 대응하는 3단계 충격 감쇠 제어 메커니즘은 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# 전투 USV 활주제어 엔진 아키텍처

1ms 실시간 루프에서 IMU 수직 가속도와 피치 각속도를 읽고, 선미 인터셉터 블레이드 서보 및 워터제트 조향각을 무할당 산출하는 순수 C# 코어입니다:

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.SeaGhostUsv
{
    /// <summary>
    /// USV 선체 동역학 실시간 텔레메트리 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct UsvPlaningTelemetry
    {
        public readonly float SurgeSpeedKts;   // 전진 속도 (Knots)
        public readonly float PitchDeg;        // 종경사 피치각 tau (도)
        public readonly float PitchRateDps;    // 피치 각속도 (deg/s)
        public readonly float RollDeg;         // 횡경사 롤각 (도)
        public readonly float BowVerticalAccelG;// 선수 수직 가속도 (G)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public UsvPlaningTelemetry(float speed, float pitch, float pitchRate, float roll, float bowAccel)
        {
            SurgeSpeedKts = speed;
            PitchDeg = pitch;
            PitchRateDps = pitchRate;
            RollDeg = roll;
            BowVerticalAccelG = bowAccel;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 선미 인터셉터 및 워터제트 제어 지령 구조체
    /// </summary>
    public readonly struct PlaningControlOutput
    {
        public readonly float PortBladeMm;      // 좌현 인터셉터 전개 깊이 (0~50mm)
        public readonly float StbdBladeMm;      // 우현 인터셉터 전개 깊이 (0~50mm)
        public readonly float WaterjetBucketDeg;// 워터제트 디플렉터 각도 (도)
        public readonly bool IsSlammingMitigated;// 슬래밍 충격 선제 완화 모드 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PlaningControlOutput(float port, float stbd, float bucket, bool mitigated)
        {
            PortBladeMm = port;
            StbdBladeMm = stbd;
            WaterjetBucketDeg = bucket;
            IsSlammingMitigated = mitigated;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 해군 Sea GHOST 1,000Hz 0-Alloc 활주정 슬래밍 완화 제어 코어
    /// </summary>
    public ref struct SeaGhostUsvPlaningEngine
    {
        public const float OptimalTrimDeg = 4.0f;     // 최적 활주 트림각 4.0도
        public const float MaxBladeStrokeMm = 50.0f;  // 인터셉터 최대 행정 50mm
        public const float FreefallGThreshold = -0.7f;// 도약(Freefall) 판정 -0.7G

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 결정론적 파랑 충돌 슬래밍 감쇠 및 인터셉터 제어 산출
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static PlaningControlOutput EvaluatePlaningControl(
            in UsvPlaningTelemetry tel,
            ref float airborneTimerSec)
        {
            float pitchErr = tel.PitchDeg - OptimalTrimDeg;
            float pitchRate = tel.PitchRateDps;
            float bowG = tel.BowVerticalAccelG;

            bool isMitigated = false;
            float baseBladeMm = 0.0f;

            // 1. 파랑 도약(Airborne Jump) 검출
            if (bowG <= FreefallGThreshold)
            {
                airborneTimerSec += 0.001f;
                // 공중 도약 상태에서는 재입수 슬래밍을 대비하여 블레이드 완전 전개(선수 숙임 강제 유도)
                baseBladeMm = MaxBladeStrokeMm;
                isMitigated = true;
            }
            else
            {
                airborneTimerSec = 0.0f;

                // 2. 정상 활주 상태: 피치 및 가속도 피드포워드 PD 제어
                // 기수 들림 발생 시 블레이드 하강으로 선미 양력 증가 -> 기수 하강
                float trimCmd = (pitchErr * 6.5f) + (pitchRate * 1.8f) + (MathF.Max(0f, bowG - 1.0f) * 12.0f);
                baseBladeMm = Math.Clamp(trimCmd, 0.0f, MaxBladeStrokeMm);
            }

            // 3. 횡요(Roll) 보정을 위한 좌/우현 인터셉터 차동 전개
            float rollCorrection = tel.RollDeg * 2.2f;
            float portBlade = Math.Clamp(baseBladeMm + rollCorrection, 0.0f, MaxBladeStrokeMm);
            float stbdBlade = Math.Clamp(baseBladeMm - rollCorrection, 0.0f, MaxBladeStrokeMm);

            // 4. 고속 선회 시 워터제트 편향각
            float jetBucket = Math.Clamp(tel.RollDeg * 0.5f, -15.0f, 15.0f);

            return new PlaningControlOutput(
                portBlade,
                stbdBlade,
                jetBucket,
                isMitigated
            );
        }
    }
}

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