초소형위성 콜로이드 일렉트로스프레이 테일러 콘 & 1,000Hz 0-Alloc C# 나노뉴턴(nN) 추력 변조 서보 엔진

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

namespace ZeliDesk.Stem.CubeSatPropulsion
{
    /// <summary>
    /// 위성 미세 외란 가속도 및 부유 전위 계측 구조체
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct SatelliteDisturbanceData
    {
        public readonly double DragAccelerationMicroG; // 태양 복사압 및 희박 대기 항력 (micro-g)
        public readonly double SpacecraftPotentialVolts; // 위성체 표면 대전 전위 (V)
        public readonly double PropellantFeedPressureKPa;

        public SatelliteDisturbanceData(double dragMicroG, double potVolts, double feedKPa)
        {
            DragAccelerationMicroG = dragMicroG;
            SpacecraftPotentialVolts = potVolts;
            PropellantFeedPressureKPa = feedKPa;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 일렉트로스프레이 고전압 출력 및 극성 스위칭 명령
    /// </summary>
    public ref struct ElectrosprayControlCommand
    {
        public double PositiveVoltageKv; // +kV (0 ~ +2.5 kV)
        public double NegativeVoltageKv; // -kV (0 ~ -2.5 kV)
        public double BipolarDutyCycleRatio; // 0.0 ~ 1.0 (0.5 = 대칭 전하 균형)
        public double GeneratedThrustMicroN; // uN

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public ElectrosprayControlCommand(double vPos, double vNeg, double duty, double thrust)
        {
            PositiveVoltageKv = vPos;
            NegativeVoltageKv = vNeg;
            BipolarDutyCycleRatio = duty;
            GeneratedThrustMicroN = thrust;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 큐브위성 나노뉴턴 추력 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct ColloidElectrosprayEngine
    {
        private const double SatelliteMassKg = 4.0; // 3U 큐브샛 질량 (kg)
        private const double OnsetVoltageKv = 1.15; // 테일러 콘 방사 개시 임계 전압 (kV)
        private const double ThrustCoefficient = 8.5; // 전압 대비 추력 계수 (uN / kV^1.5)

        private double _potentialErrorIntegral;
        private double _filteredThrustDemand;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ExecuteControlCycle(
            in SatelliteDisturbanceData sensor,
            double targetRelativeThrustMicroN,
            out ElectrosprayControlCommand command,
            out double effectiveIspSeconds)
        {
            // 1. 외란 항력 상쇄에 필요한 목표 추력 산출 (F = m * a)
            double disturbanceForceMicroN = (sensor.DragAccelerationMicroG * 1.0e-6 * 9.80665) * SatelliteMassKg * 1.0e6;
            double requiredTotalThrustMicroN = targetRelativeThrustMicroN + disturbanceForceMicroN;
            requiredTotalThrustMicroN = Math.Clamp(requiredTotalThrustMicroN, 0.0, 45.0); // 최대 45 uN

            // 2. 표면 전위 중립화를 위한 바이폴라 듀티비 보정 (PI 제어)
            double potentialError = 0.0 - sensor.SpacecraftPotentialVolts;
            _potentialErrorIntegral += potentialError * 0.001;

            double dutyBias = 0.002 * potentialError + 0.0005 * _potentialErrorIntegral;
            double bipolarDuty = Math.Clamp(0.5 + dutyBias, 0.2, 0.8); // 0.5 기준 미세 조정

            // 3. 요구 추력에 따른 고전압 진폭 역산 (F = C * (V - V_onset)^1.5)
            double requiredExcessV = Math.Pow(requiredTotalThrustMicroN / ThrustCoefficient, 2.0 / 3.0);
            double targetVoltageKv = Math.Clamp(OnsetVoltageKv + requiredExcessV, OnsetVoltageKv, 2.45);

            double vPositive = targetVoltageKv;
            double vNegative = -targetVoltageKv;

            // 4. 비추력 계산 (순수 이온 증발 모드 기준 ~3,500초)
            effectiveIspSeconds = 2800.0 + 350.0 * (targetVoltageKv - OnsetVoltageKv);

            command = new ElectrosprayControlCommand(vPositive, vNegative, bipolarDuty, requiredTotalThrustMicroN);
        }
    }
}