대한민국 해군 차세대 소해 및 대잠 무인수상정(USV) 견인식 수중 음향탐지 소나(TASS) 케이블 예인 유체 동역학 및 1,000Hz 0-Alloc C# 심도·수평 능동 안정화 제어 엔진

1. 유연 예인 케이블 유체 저항 및 럼프드 매스 카테너리 동역학

길이 $L$, 직경 $d$, 밀도 $\rho_c$의 수중 케이블을 $N$개의 질점(Node)과 무질량 탄성 스프링-댐퍼 요소로 분할한 럼프드 매스(Lumped Mass) 모델에서 $j$번째 질점의 운동방정식은 다음과 같습니다:

여기서 $\vec{T}$는 케이블 내부 탄성 인장력, $\vec{B}_j, \vec{W}_j$는 부력과 중력 벡터이며, 유체 상대 속도 $\vec{v}_{r,j} = \vec{v}_{\text{ocean}} - \dot{\vec{r}}_j$에 따른 수직/접선 유체 항력 $\vec{F}_{D,j}$:

예인 속도 $U$가 증가할수록 케이블 수평 항력으로 인해 소나가 수면 방향으로 떠오르므로, 소나 전방의 능동 잠항체(Active Depressor)가 음의 양력(Downforce)을 발생시켜야 합니다.

2. 능동 디프레서(Depressor) 수중익 유체력 및 심도 제어식

디프레서의 날개 면적 $A_d$, 플랩 각도 $\delta_f$, 받음각 $\alpha$에 대한 하향 유체 침강력 $L_{\text{down}}$:

목표 심도 $z_{\text{des}}$와 현재 측정 심도 $z(t)$의 오차 $e_z(t) = z_{\text{des}} - z(t)$에 대한 피드포워드-피드백 결합 플랩 제어각 지령:

3. 1,000Hz 0-Alloc SIMD C# TASS 케이블 심도 안정화 엔진 구현

수중 음향탐지 환경에서 윈치 장력과 디프레서 플랩을 1밀리초 주기로 통합 제어하는 가비지 프리 C# 고성능 코어입니다.

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

namespace ZeliDesk.Defense.NavyUnderwater
{
    /// <summary>
    /// TASS 소나 및 예인 케이블 텔레메트리 (Stack 전용)
    /// </summary>
    public readonly ref struct TassTelemetry
    {
        public readonly float CurrentDepthMeters;     // 현재 소나 심도 (z)
        public readonly float TowingSpeedMps;         // 무인수상정 예인 속도 (U)
        public readonly float CableTensionNewtons;    // 윈치 케이블 장력 (T)
        public readonly float VerticalVelocityMps;    // 소나 수직 승강 속도 (dz/dt)
        public readonly float PitchAngleRad;          // 디프레서 피치각

        public TassTelemetry(float depth, float speed, float tension, float vertVel, float pitch)
        {
            CurrentDepthMeters = depth;
            TowingSpeedMps = speed;
            CableTensionNewtons = tension;
            VerticalVelocityMps = vertVel;
            PitchAngleRad = pitch;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 디프레서 플랩 각도 및 윈치 보정 지령
    /// </summary>
    public readonly ref struct TassActuatorCommand
    {
        public readonly float DepressorFlapDeg; // 수중익 플랩 각도 (도)
        public readonly float WinchDeltaLengthMeters; // 윈치 케이블 미세 송출/권취 (m)
        public readonly float EstimatedDownforceN;    // 발생 하향 유체력 (N)
        public readonly bool IsDepthLocked;           // 심도 안정화 락 플래그

        public TassActuatorCommand(float flapDeg, float winchM, float downforceN, bool locked)
        {
            DepressorFlapDeg = flapDeg;
            WinchDeltaLengthMeters = winchM;
            EstimatedDownforceN = downforceN;
            IsDepthLocked = locked;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 해군 USV TASS 1,000Hz 0-Alloc C# 예인 심도 능동 복원 제어 엔진
    /// </summary>
    public static class TassDepthControlEngine
    {
        private const float SeawaterDensity = 1025.0f; // 해수 밀도 (kg/m^3)
        private const float DepressorAreaM2 = 1.45f;   // 디프레서 날개 면적 (m^2)
        private const float LiftSlopeCLdelta = 3.8f;   // 플랩 양력 구배 (/rad)
        private const float MaxFlapAngleDeg = 25.0f;   // 최대 플랩 허용각
        private const float RadToDeg = 180.0f / MathF.PI;
        private const float DegToRad = MathF.PI / 180.0f;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static TassActuatorCommand ComputeDepthStabilization(
            in TassTelemetry telemetry,
            float targetDepthMeters,
            float dtSeconds)
        {
            float u = MathF.Max(telemetry.TowingSpeedMps, 1.0f);
            float q = 0.5f * SeawaterDensity * u * u; // 동압

            // 1. 심도 오차 산출 (양의 오차 = 목표보다 얕음 -> 더 깊이 침강 필요)
            float depthError = targetDepthMeters - telemetry.CurrentDepthMeters;

            // 2. 피드포워드 요구 하향력 계산 (케이블 수직 장력 평형)
            float targetDownforceN = (depthError * 220.0f) + (telemetry.CableTensionNewtons * 0.15f);

            // 3. 플랩 각도 역산: L_down = q * A * CL_delta * delta
            float requiredFlapRad = targetDownforceN / MathF.Max(q * DepressorAreaM2 * LiftSlopeCLdelta, 1e-3f);
            
            // 4. 감쇠 피드백 항 추가 (수직 승강 속도 억제)
            float dampingFlapRad = -telemetry.VerticalVelocityMps * 0.45f;
            float finalFlapRad = requiredFlapRad + dampingFlapRad;

            float finalFlapDeg = Math.Clamp(finalFlapRad * RadToDeg, -MaxFlapAngleDeg, MaxFlapAngleDeg);
            float actualDownforceN = q * DepressorAreaM2 * LiftSlopeCLdelta * (finalFlapDeg * DegToRad);

            // 5. 윈치 급격 장력 완화 미세 릴리즈 지령
            float winchDeltaM = 0.0f;
            if (telemetry.CableTensionNewtons > 18000.0f)
            {
                winchDeltaM = (telemetry.CableTensionNewtons - 18000.0f) * 0.0002f;
            }

            // 심도 오차 0.3m 이내 유지 시 Depth Locked
            bool isLocked = MathF.Abs(depthError) < 0.30f && MathF.Abs(telemetry.VerticalVelocityMps) < 0.05f;

            return new TassActuatorCommand(finalFlapDeg, winchDeltaM, actualDownforceN, isLocked);
        }
    }
}

4. 해상 수조 및 예인 시험 검증과 교육적 연계