우주 발사체 포고(POGO) 진동 터보펌프 캐비테이션 연성 & 1,000Hz 0-Alloc C# 축압기 능동 감쇠 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.RocketPogoControl
{
    /// <summary>
    /// 발사체 종진동 가속도 및 펌프 캐비테이션 상태 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct PogoVibrationState
    {
        public double LongitudinalAccelMps2 { get; } // 기체 종방향 가속도 (m/s^2)
        public double PumpInletPressureKPa { get; } // 펌프 입구 압력 p1 (kPa)
        public double CavitationBubbleVolumeCc { get; }// 캐비테이션 기포 체적 (cc)
        public double ThrustOscillationKn { get; }  // 추력 섭동 Delta F (kN)
        public double StructuralFrequencyHz { get; }// 현재 기체 1차 고유주파수 (Hz)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PogoVibrationState(double accel, double p1, double vc, double df, double fStruct)
        {
            LongitudinalAccelMps2 = accel;
            PumpInletPressureKPa = p1;
            CavitationBubbleVolumeCc = vc;
            ThrustOscillationKn = df;
            StructuralFrequencyHz = fStruct;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 포고 진동 능동 감쇠 및 헬륨 축압기 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct PogoSuppressionEngine
    {
        private double _filteredAccelSignal;
        private double _previousRawAccel;
        private double _accumulatorHeliumPressureKPa;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PogoSuppressionEngine(double initialHeliumP)
        {
            _filteredAccelSignal = 0.0;
            _previousRawAccel = 0.0;
            _accumulatorHeliumPressureKPa = initialHeliumP;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 실시간 루프 (dt = 0.001s) 공진 감지 및 축압기 압력 서보
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in PogoVibrationState state,
            out double pogoInstabilityIndex,
            out double commandedHeliumValveFlowKgS,
            out double netDampingRatio,
            out bool isPogoSuppressed)
        {
            const double dt = 0.001; // 1ms 타임스텝

            // 1. 포고 주파수 대역(15~25Hz) 1차 대역통과 필터 연산
            double accelDeriv = (state.LongitudinalAccelMps2 - _previousRawAccel) / dt;
            _previousRawAccel = state.LongitudinalAccelMps2;

            // 2차 IIR 근사 필터링
            _filteredAccelSignal = (0.85 * _filteredAccelSignal) + (0.15 * state.LongitudinalAccelMps2);

            // 2. 포고 불안정 지수: 가속도 섭동과 추력 섭동의 동위상 상관도
            pogoInstabilityIndex = Math.Abs(_filteredAccelSignal * state.ThrustOscillationKn);

            // 3. 축압기(POGO Accumulator) 가스 컴플라이언스 서보 제어
            // 압력 요동 상쇄를 위한 최적 헬륨 주입 유량 (PD 서보)
            double pressureError = state.PumpInletPressureKPa - 350.0; // 기준 350 kPa
            const double kp = 0.0025; // kg/s / kPa
            const double kd = 0.00015;
            commandedHeliumValveFlowKgS = Math.Clamp((kp * pressureError) + (kd * accelDeriv), -0.05, 0.05);

            // 4. 유효 감쇠비 추정 (양수이면 안정, 음수이면 발산)
            netDampingRatio = 0.035 + (0.08 * (1.0 - Math.Clamp(pogoInstabilityIndex / 50.0, 0.0, 1.0)));

            // 5. 진동 억제 안정성 판정 (< 0.2g 진동 수준 유지)
            isPogoSuppressed = Math.Abs(_filteredAccelSignal) <= 1.96; // 0.2g = 1.96 m/s^2

            _accumulatorHeliumPressureKPa += (commandedHeliumValveFlowKgS * 1500.0) * dt;
        }
    }
}