우주 탐사용 원자력 열추진(NTP) 극저온 액체수소 터보펌프 & 1,000Hz 0-Alloc C# 원자로 열수력 분열 제어 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Propulsion.NuclearThermal
{
    /// <summary>
    /// NTP 우주선 계측 원자로 및 수소 유동 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// </summary>
    public readonly ref struct NtpTelemetry
    {
        public readonly float ReactorPowerMw;     // [MW] 원자로 현재 열출력 (예: 500MW)
        public readonly float FuelCoreTempK;      // [K] 코어 최고 온도 (예: 2,750K)
        public readonly float HydrogenMassFlowKgS;// [kg/s] 액체수소 질량 유량 (예: 25.0kg/s)
        public readonly float ChamberPressureBar; // [bar] 노즐 연소실 압력 (예: 70bar)
        public readonly float ControlDrumAngleDeg;// [deg] 제어 드럼 회전각 (0: 완전흡수 ~ 180: 전반사)
        public readonly float PrecursorGroup1;    // 지발중성자 선행핵 상대 밀도군
        public readonly float PrecursorGroup2;
        public readonly float PrecursorGroup3;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public NtpTelemetry(
            float reactorPowerMw,
            float fuelCoreTempK,
            float hydrogenMassFlowKgS,
            float chamberPressureBar,
            float controlDrumAngleDeg,
            float precursorGroup1,
            float precursorGroup2,
            float precursorGroup3)
        {
            ReactorPowerMw = reactorPowerMw;
            FuelCoreTempK = fuelCoreTempK;
            HydrogenMassFlowKgS = hydrogenMassFlowKgS;
            ChamberPressureBar = chamberPressureBar;
            ControlDrumAngleDeg = controlDrumAngleDeg;
            PrecursorGroup1 = precursorGroup1;
            PrecursorGroup2 = precursorGroup2;
            PrecursorGroup3 = precursorGroup3;
        }
    }

    /// <summary>
    /// NTP 서보 제어 연산 결과 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct NtpControlResult
    {
        public readonly float SpecificImpulseSec;     // [s] 실시간 비추력 (I_sp)
        public readonly float ThrustKiloNewtons;      // [kN] 로켓 추력
        public readonly float NetReactivityDollar;    // [$] 총 유효 반응도
        public readonly float CommandedDrumAngleDeg;  // [deg] 지령 제어 드럼 각도
        public readonly float CommandedH2FlowKgS;     // [kg/s] 지령 수소 유량
        public readonly bool IsScramTriggered;        // 비상 정지(SCRAM) 트리거 플래그
        public readonly bool IsThermalSafe;           // 코어 한계온도 안전 마진

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public NtpControlResult(
            float specificImpulseSec,
            float thrustKiloNewtons,
            float netReactivityDollar,
            float commandedDrumAngleDeg,
            float commandedH2FlowKgS,
            bool isScramTriggered,
            bool isThermalSafe)
        {
            SpecificImpulseSec = specificImpulseSec;
            ThrustKiloNewtons = thrustKiloNewtons;
            NetReactivityDollar = netReactivityDollar;
            CommandedDrumAngleDeg = commandedDrumAngleDeg;
            CommandedH2FlowKgS = commandedH2FlowKgS;
            IsScramTriggered = isScramTriggered;
            IsThermalSafe = isThermalSafe;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc 원자력 열추진(NTP) 열수력-핵분열 연계 제어 서보 엔진
    /// </summary>
    public static class NtpServoEngine
    {
        private const float MaxCoreTempK = 3050.0f; // 최대 안전 허용 온도 (초과 시 SCRAM)
        private const float TargetCoreTempK = 2750.0f;
        private const float GasConstantH2 = 4124.0f; // [J/(kg*K)] 수소 기체 상수
        private const float GammaH2 = 1.40f;        // 비열비
        private const float Gravity0 = 9.80665f;    // [m/s^2] 표준 중력가속도
        private const float BetaEffective = 0.0065f; // 총 지발중성자 분율

        /// <summary>
        /// 1ms 주기 원자로 반응도, 비추력, 수소 유량 터보펌프 피드백 루프 연산
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static NtpControlResult ComputeServoCycle(
            in NtpTelemetry telemetry, 
            float targetThrustKn)
        {
            // 1. 코어 온도 안전 여유 및 SCRAM 감시
            bool isThermalSafe = telemetry.FuelCoreTempK < MaxCoreTempK;
            bool triggerScram = !isThermalSafe || (telemetry.ReactorPowerMw > 750.0f);

            // 2. 비추력(I_sp) 및 초음속 분사 속도 계산
            // v_e = sqrt( (2*gamma/(gamma-1)) * R * T_c * (1 - (pe/pc)^((gamma-1)/gamma)) )
            // 우주 진공 팽창 효율 약 0.95 감안
            float expansionFactor = 1.0f - MathF.Pow(0.01f / telemetry.ChamberPressureBar, (GammaH2 - 1.0f) / GammaH2);
            expansionFactor = Math.Clamp(expansionFactor, 0.5f, 0.98f);

            float exhaustVelocity = MathF.Sqrt((2.0f * GammaH2 / (GammaH2 - 1.0f)) * GasConstantH2 * telemetry.FuelCoreTempK * expansionFactor);
            float ispSec = exhaustVelocity / Gravity0;

            // 3. 실제 로켓 추력 F = m_dot * v_e
            float currentThrustKn = (telemetry.HydrogenMassFlowKgS * exhaustVelocity) * 0.001f;

            // 4. 드럼 회전각에 따른 기하학적 반응도 산출
            // rho_drum = rho_max * (1 - cos(theta_rad)) / 2
            float drumRad = telemetry.ControlDrumAngleDeg * (MathF.PI / 180.0f);
            float rhoDrumDollars = 1.2f * (1.0f - MathF.Cos(drumRad)) * 0.5f - 0.6f;

            // 도플러 음의 반응도 피드백 (온도 상승 시 반응도 감소)
            float dopplerFeedback = -0.00015f * (telemetry.FuelCoreTempK - TargetCoreTempK);
            float netReactivity = rhoDrumDollars + dopplerFeedback;

            // 5. 서보 지령값 산출: 목표 추력 달성을 위한 수소 유량 계산
            float reqH2FlowKgS = (ispSec > 100.0f) ? (targetThrustKn * 1000.0f / exhaustVelocity) : 20.0f;
            reqH2FlowKgS = Math.Clamp(reqH2FlowKgS, 5.0f, 40.0f);

            // 6. 목표 코어 온도를 유지하기 위한 제어 드럼 각도 보정 (P-제어)
            float tempError = TargetCoreTempK - telemetry.FuelCoreTempK;
            float drumAngleDelta = tempError * 0.02f; // deg
            float cmdDrumAngle = telemetry.ControlDrumAngleDeg + drumAngleDelta;

            if (triggerScram)
            {
                // SCRAM: 모든 제어 드럼을 중성자 흡수 방향(0도)으로 급속 회전
                cmdDrumAngle = 0.0f;
            }
            else
            {
                cmdDrumAngle = Math.Clamp(cmdDrumAngle, 0.0f, 180.0f);
            }

            return new NtpControlResult(
                specificImpulseSec: ispSec,
                thrustKiloNewtons: currentThrustKn,
                netReactivityDollar: netReactivity,
                commandedDrumAngleDeg: cmdDrumAngle,
                commandedH2FlowKgS: reqH2FlowKgS,
                isScramTriggered: triggerScram,
                isThermalSafe: isThermalSafe
            );
        }
    }
}