다단 전자기 코일건(Coilgun) 릴럭턴스 흡인력 & 1,000Hz 0-Alloc C# 역흡인 방지 마이크로초 펄스 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.ElectromagneticLauncher
{
    /// <summary>
    /// 코일건 발사체 동역학 및 펄스 방전 상태 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct CoilgunStageState
    {
        public int StageIndex { get; }              // 코일 단수 (1 ~ N)
        public double ProjectilePositionMm { get; } // 코일 중심 대비 위치 z (mm, 음수: 접근)
        public double ProjectileVelocityMps { get; }// 발사체 통과 속도 v (m/s)
        public double CoilCurrentAmpere { get; }    // 현재 코일 펄스 전류 i (A)
        public double CapacitorBankVolt { get; }    // 커패시터 뱅크 잔여 전압 (V)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public CoilgunStageState(int stage, double pos, double vel, double current, double volt)
        {
            StageIndex = stage;
            ProjectilePositionMm = pos;
            ProjectileVelocityMps = vel;
            CoilCurrentAmpere = current;
            CapacitorBankVolt = volt;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 릴럭턴스 가속력 및 역흡인 차단 게이팅 엔진
    /// </summary>
    public ref struct CoilgunPulseEngine
    {
        private const double ProjectileMassKg = 0.085; // 85g 발사체
        private const double DeltaInductanceH = 120e-6; // 120 uH 인덕턴스 증가량
        private const double SigmaZMm = 15.0;           // 공간 분포 폭 15mm

        private double _accumulatedMuzzleEnergyJ;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public CoilgunPulseEngine(double initialEnergy)
        {
            _accumulatedMuzzleEnergyJ = initialEnergy;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 실시간 루프 (dt = 0.001s) 가속력 계산 및 IGBT 차단 지령
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in CoilgunStageState state,
            out double reluctanceForceN,
            out double timeToCenterMicroSec,
            out bool isGateCutoffTriggered,
            out double stageExitVelocityMps)
        {
            const double dt = 0.001; // 1ms 타임스텝
            double zMeters = state.ProjectilePositionMm * 1e-3;
            double sigmaMeters = SigmaZMm * 1e-3;

            // 1. 인덕턴스 공간 구배 dL/dz = - (z / sigma^2) * DeltaL * exp(-z^2 / 2*sigma^2)
            double expTerm = Math.Exp(-(zMeters * zMeters) / (2.0 * sigmaMeters * sigmaMeters));
            double dLdz = -(zMeters / (sigmaMeters * sigmaMeters)) * DeltaInductanceH * expTerm;

            // 2. 릴럭턴스 전자기력 F_z = 0.5 * i^2 * dL/dz
            double currentSquare = state.CoilCurrentAmpere * state.CoilCurrentAmpere;
            reluctanceForceN = 0.5 * currentSquare * dLdz;

            // 3. 코일 중심점(z=0) 도달 잔여 시간 추정 (dt_rem = -z / v)
            if (state.ProjectilePositionMm < 0.0 && state.ProjectileVelocityMps > 0.1)
            {
                timeToCenterMicroSec = (-state.ProjectilePositionMm * 1e-3 / state.ProjectileVelocityMps) * 1e6;
                isGateCutoffTriggered = timeToCenterMicroSec <= 50.0; // 50us 이내 중심 도달 시 차단 트리거
            }
            else
            {
                timeToCenterMicroSec = 0.0;
                isGateCutoffTriggered = true; // 중심 통과 즉시 차단
            }

            // 4. 가속도 a = F / m 및 다음 속도 예측
            double accel = reluctanceForceN / ProjectileMassKg;
            stageExitVelocityMps = state.ProjectileVelocityMps + (accel * dt);

            _accumulatedMuzzleEnergyJ = 0.5 * ProjectileMassKg * (stageExitVelocityMps * stageExitVelocityMps);
        }
    }
}