극초음속 활강 비행체(HGV) 공기열역학 페이-리델 삭마 & 1,000Hz 0-Alloc C# 비평형 열화학 방패 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.HypersonicAerothermodynamics
{
    /// <summary>
    /// 극초음속 비행 환경 및 노즈콘 기하 상태 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct HypersonicFlightState
    {
        public double MachNumber { get; }           // 비행 마하수
        public double AltitudeMeters { get; }       // 고도 (m)
        public double FreeStreamDensity { get; }    // 자유류 밀도 (kg/m^3)
        public double VelocityMps { get; }          // 비행 속도 (m/s)
        public double NoseRadiusMeters { get; }     // 노즈콘 곡률 반경 (m)
        public double WallTemperatureKelvin { get; }// 표면 온도 (K)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public HypersonicFlightState(double mach, double alt, double rho, double v, double rn, double tw)
        {
            MachNumber = mach;
            AltitudeMeters = alt;
            FreeStreamDensity = rho;
            VelocityMps = v;
            NoseRadiusMeters = rn;
            WallTemperatureKelvin = tw;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 극초음속 정체점 열유속 및 삭마 제어 엔진
    /// </summary>
    public ref struct FayRiddellAblationEngine
    {
        private const double StefanBoltzmann = 5.670374419e-8; // W/(m^2*K^4)
        private const double HeatOfAblation = 30.0e6;           // 삭마 유효 승화열 (J/kg)
        private const double Emissivity = 0.85;                // 표면 방사율

        private double _accumulatedAblationDepthM;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FayRiddellAblationEngine(double initialRecessionMeters)
        {
            _accumulatedAblationDepthM = initialRecessionMeters;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 주기 (dt = 0.001s) 정체점 열유속 및 표면 후퇴 속도 연산
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in HypersonicFlightState state,
            out double stagnationHeatFluxWm2,
            out double netAblationHeatFluxWm2,
            out double recessionRateMps,
            out double totalRecessionMeters)
        {
            const double dt = 0.001; // 1ms 타임스텝

            // 1. 디트라-히달고(Detra-Hidalgo) 수정 페이-리델 정체점 열유속 근사
            // q_s = (1.83e-4 / sqrt(R_n)) * (rho_inf / rho_0)^0.5 * (V / 10000)^3.15 * 1e7
            double rhoRatio = Math.Sqrt(state.FreeStreamDensity / 1.225);
            double vTerm = Math.Pow(state.VelocityMps / 3048.0, 3.15);
            stagnationHeatFluxWm2 = (1.11e8 / Math.Sqrt(state.NoseRadiusMeters)) * rhoRatio * vTerm;

            // 2. 표면 복사 냉각 q_rad = eps * sigma * Tw^4
            double tw2 = state.WallTemperatureKelvin * state.WallTemperatureKelvin;
            double qRad = Emissivity * StefanBoltzmann * (tw2 * tw2);

            // 3. 기체 분출 차폐(Blowing) 효과 및 순 열유속 산출
            double blowingFactor = 0.72; // 열분해 가스 분출 감쇠율
            double heatIntoWall = (stagnationHeatFluxWm2 * blowingFactor) - qRad;

            if (heatIntoWall > 0.0)
            {
                netAblationHeatFluxWm2 = heatIntoWall;
                // 삭마 질량 유속 m_dot = q_net / H_eff
                double massLossRate = netAblationHeatFluxWm2 / HeatOfAblation; // kg/(m^2*s)
                const double charDensity = 1450.0; // kg/m^3 (탄소 복합재 밀도)
                recessionRateMps = massLossRate / charDensity;
            }
            else
            {
                netAblationHeatFluxWm2 = 0.0;
                recessionRateMps = 0.0;
            }

            // 4. 누적 표면 후퇴량 적분
            _accumulatedAblationDepthM += recessionRateMps * dt;
            totalRecessionMeters = _accumulatedAblationDepthM;
        }
    }
}