우주 적외선 센서 극저온 스털링 냉동기 & 1,000Hz 0-Alloc C# 80K 재생기 열음향 팽창 시뮬레이터

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Education.StemThermo.StirlingCryocooler
{
    public readonly record struct CryocoolerConfig(
        float FrequencyHz,          // 작동 주파수 (Hz, 예: 60.0 Hz)
        float MeanPressureBar,      // 평균 헬륨 충전압 (bar, 예: 25.0 bar)
        float SweptVolumeCompCc,    // 압축 스윕 체적 (cc, 예: 4.5 cc)
        float SweptVolumeExpCc,     // 팽창 스윕 체적 (cc, 예: 1.2 cc)
        float AmbientTempK,         // 상온 방열단 온도 (K, 300K)
        float TargetColdTempK       // 목표 극저온 (K, 80K)
    );

    public ref struct CryocoolerTelemetry
    {
        public float IdealCarnotCop;
        public float PressureWaveAmplitudeBar;
        public float GrossCoolingPowerWatt;
        public float RegeneratorLossWatt;
        public float NetCoolingCapacityWatt;
        public float InputElectricalPowerWatt;
        public float SystemCopPercent;
    }

    public static class StirlingCryocoolerEngineCore
    {
        private const float BarToPascal = 100000.0f;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void CalculateCoolingPerformance(
            in CryocoolerConfig config,
            float phaseAngleDeg,
            ref CryocoolerTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 카르노 이상 성능계수 COP_carnot = Tc / (Th - Tc) (0-Alloc)
            float tC = config.TargetColdTempK;
            float tH = config.AmbientTempK;
            float carnotCop = tC / MathF.Max(1.0f, tH - tC);
            telemetry.IdealCarnotCop = carnotCop;

            // 2. 압력 변동 진폭비 delta 근사
            float thetaRad = phaseAngleDeg * (MathF.PI / 180.0f);
            float vc = config.SweptVolumeCompCc;
            float ve = config.SweptVolumeExpCc * (tH / tC); // 온도비 보정
            float delta = 0.35f * MathF.Sqrt(vc * vc + ve * ve + 2.0f * vc * ve * MathF.Cos(thetaRad)) / (vc + ve + 8.0f);
            delta = MathF.Min(0.75f, delta);

            float pMeanPa = config.MeanPressureBar * BarToPascal;
            telemetry.PressureWaveAmplitudeBar = config.MeanPressureBar * delta;

            // 3. 총 냉각 용량 Q_e_gross = pi * f * Ve * Pmean * [delta / (1 + sqrt(1 - delta^2))] * sin(theta)
            float veM3 = (config.SweptVolumeExpCc * 1e-6f) * 0.5f; // 반진폭
            float sqrtTerm = MathF.Sqrt(MathF.Max(0.01f, 1.0f - delta * delta));
            float grossCoolingW = MathF.PI * config.FrequencyHz * veM3 * pMeanPa * (delta / (1.0f + sqrtTerm)) * MathF.Sin(thetaRad);
            grossCoolingW = MathF.Max(0.0f, grossCoolingW);
            telemetry.GrossCoolingPowerWatt = grossCoolingW;

            // 4. 재생기 미완전 열교환 및 전도 열손실 Q_loss
            // Delta T = 220K 에 대한 재생기 전도 및 셔틀 손실 모델
            float deltaT = tH - tC;
            float regLossW = 0.85f + (deltaT * 0.012f);
            telemetry.RegeneratorLossWatt = regLossW;

            float netCoolingW = MathF.Max(0.0f, grossCoolingW - regLossW);
            telemetry.NetCoolingCapacityWatt = netCoolingW;

            // 5. 소요 전기 압축 동력 및 시스템 COP
            float workCompW = MathF.PI * config.FrequencyHz * (config.SweptVolumeCompCc * 1e-6f * 0.5f) * pMeanPa * delta;
            float inputPowerW = (workCompW / 0.78f) + 12.0f; // 모터 효율 및 구동 손실
            telemetry.InputElectricalPowerWatt = inputPowerW;

            float cop = (netCoolingW / MathF.Max(1.0f, inputPowerW)) * 100.0f;
            telemetry.SystemCopPercent = cop;
        }
    }
}