우주 적외선 망원경 펄스 튜브 크라이오쿨러 음향 스트리밍 & 1,000Hz 0-Alloc C# 4K 열음향 냉각 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.CryogenicAcoustics
{
    /// <summary>
    /// 펄스 튜브 음향 압력 및 냉각단 열역학 상태 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct PulseTubeState
    {
        public double ColdTipTempKelvin { get; }    // 저온단 온도 (K)
        public double WarmEndTempKelvin { get; }    // 고온단 방열 온도 (K)
        public double DynamicPressureKPa { get; }   // 동압 진폭 p1 (kPa)
        public double MeanPressureMpa { get; }      // 정압 p0 (MPa)
        public double FlowVelocityMps { get; }      // 기체 유속 진폭 u1 (m/s)
        public double PhaseAngleDeg { get; }        // p-u 위상차 theta_pv (deg)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PulseTubeState(double tc, double th, double p1, double p0, double u1, double phase)
        {
            ColdTipTempKelvin = tc;
            WarmEndTempKelvin = th;
            DynamicPressureKPa = p1;
            MeanPressureMpa = p0;
            FlowVelocityMps = u1;
            PhaseAngleDeg = phase;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 음향 스트리밍 억제 및 4K 극저온 서보 제어 엔진
    /// </summary>
    public ref struct PulseTubeCryocoolerEngine
    {
        private const double TargetColdTemp = 4.2; // 액체 헬륨 비등점 4.2K
        private double _inertanceValveAngleDeg;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PulseTubeCryocoolerEngine(double initialValveAngle)
        {
            _inertanceValveAngleDeg = initialValveAngle;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 실시간 루프 (dt = 0.001s) 음향 엔탈피 흐름 및 기생 스트리밍 계산
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in PulseTubeState state,
            out double grossCoolingPowerWatts,
            out double gedeonStreamingHeatLeakWatts,
            out double commandedInertanceValveDeg,
            out bool isCryocoolerLocked4K)
        {
            // 1. 음향 파워 W_dot = 0.5 * p1 * U1 * cos(theta)
            double phaseRad = state.PhaseAngleDeg * (Math.PI / 180.0);
            const double tubeAreaM2 = 0.00045; // 4.5 cm^2 단면적
            double volumeFlowM3s = state.FlowVelocityMps * tubeAreaM2;

            double acousticPowerWatts = 0.5 * (state.DynamicPressureKPa * 1000.0) * volumeFlowM3s * Math.Cos(phaseRad);
            grossCoolingPowerWatts = Math.Max(0.0, acousticPowerWatts * 0.18); // 카르노 대비 유효 냉각 효율

            // 2. 게데온 음향 스트리밍 기생 열누설 추정 (sin/cos 위상 불일치에 비례)
            double tempDiff = state.WarmEndTempKelvin - state.ColdTipTempKelvin;
            double parasiticStreamingFactor = Math.Sin(phaseRad); // 이상적 위상(0도)에서 이탈 시 발생
            gedeonStreamingHeatLeakWatts = Math.Abs(parasiticStreamingFactor) * (tempDiff * 0.008);

            // 3. 위상각을 0도(공진)로 정렬하기 위한 이너턴스 튜브 밸브 피드백 서보
            double phaseError = state.PhaseAngleDeg - 0.0;
            const double kp = 0.45; // deg / deg
            _inertanceValveAngleDeg = Math.Clamp(_inertanceValveAngleDeg - (kp * phaseError), 10.0, 90.0);
            commandedInertanceValveDeg = _inertanceValveAngleDeg;

            // 4. 4.2K 극저온 잠금 판정 (4.0K ~ 4.5K 범위)
            isCryocoolerLocked4K = Math.Abs(state.ColdTipTempKelvin - TargetColdTemp) < 0.25;
        }
    }
}