초음속 여객기 음속 폭음(Sonic Boom) 저감 & 1,000Hz 0-Alloc C# 시어스-하크(Sears-Haack) 파동 항력 최적화 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.SupersonicAero;

/// 

/// 초음속 저소음 소닉 붐 상태 구조체 (100% Stack Allocation)
/// 
public readonly ref struct LowBoomState
{
    public readonly double MachNumber;            // 비행 마하수
    public readonly double FlightAltitudeM;       // 순항 고도 (m)
    public readonly double WaveDragCoefficient;   // 파동 항력 계수 C_Dw
    public readonly double PeakOverpressurePa;    // 지상 도달 최대 과압 (Pa)
    public readonly double PerceivedNoisePldB;    // 지상 체감 소음도 (PLdB)
    public readonly double ShockCoalescenceIndex; // 충격파 융합 억제 지수 (0~1)

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public LowBoomState(
        double machNumber,
        double flightAltitudeM,
        double waveDragCoefficient,
        double peakOverpressurePa,
        double perceivedNoisePldB,
        double shockCoalescenceIndex)
    {
        MachNumber = machNumber;
        FlightAltitudeM = flightAltitudeM;
        WaveDragCoefficient = waveDragCoefficient;
        PeakOverpressurePa = peakOverpressurePa;
        PerceivedNoisePldB = perceivedNoisePldB;
        ShockCoalescenceIndex = shockCoalescenceIndex;
    }
}

/// 

/// 1,000Hz 0-Alloc C# 시어스-하크 동체 초음속 소닉 붐 시뮬레이터
/// 
public static class LowBoomSupersonicEngine
{
    private const double BodyLengthM = 29.5;         // 기체 전장 (29.5m)
    private const double BodyVolumeM3 = 38.0;        // 동체 체적 (38 m^3)
    private const double SpecificHeatRatioGamma = 1.4;

    /// 

    /// 1ms 타임스텝 비행 고도 및 마하수에 따른 지상 소닉붐 연산 (0-Alloc)
    /// 
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public static LowBoomState StepAerodynamics(
        double machNumber,
        double altitudeM,
        double noseLengthRatio = 0.35)
    {
        double safeMach = Math.Max(machNumber, 1.05);
        double beta = Math.Sqrt(safeMach * safeMach - 1.0);

        // 1. 고도별 대기압 근사 (국제표준대기 ISA)
        double pAmbientPa = 101325.0 * Math.Pow(1.0 - 0.0000225577 * altitudeM, 5.25588);
        pAmbientPa = Math.Max(pAmbientPa, 10000.0); // 16km 이상 안전값

        // 2. 시어스-하크 이론 최적 파동 항력 계수 (기준 투영 단면적 4.5 m^2)
        double refArea = 4.5;
        double l4 = Math.Pow(BodyLengthM, 4);
        double cDw = (128.0 / (Math.PI * l4)) * (BodyVolumeM3 * BodyVolumeM3) / refArea;

        // 3. 기수 장화(Long nose) 설계에 의한 휘덤 F-함수 피크 완화
        // 전통 콩코드는 F_max ~ 0.08, X-59 저소음 형상은 F_max ~ 0.022
        double fMax = 0.020 + 0.035 * (1.0 - Math.Clamp(noseLengthRatio, 0.2, 0.5));

        // 4. 지상 도달 과압 (Pa): ΔP = P_amb * γ * M^1.5 / sqrt(2*β*h) * F_max
        double denom = Math.Sqrt(2.0 * beta * Math.Max(altitudeM, 5000.0));
        double overpressurePa = (pAmbientPa * SpecificHeatRatioGamma * Math.Pow(safeMach, 1.5) / denom) * fMax;

        // 5. 체감 소음 레벨 PLdB 변환: 콩코드(105 PLdB), 목표 규제치(75 PLdB)
        // 1 Pa 과압 당 약 8.5 PLdB 가중
        double pldB = Math.Clamp(62.0 + overpressurePa * 0.95, 65.0, 110.0);
        double coalescenceIndex = Math.Clamp(1.0 - (pldB - 75.0) / 30.0, 0.0, 1.0);

        return new LowBoomState(
            safeMach,
            altitudeM,
            cDw,
            overpressurePa,
            pldB,
            coalescenceIndex);
    }
}