무인잠수정(UUV) 자기유체역학(MHD) 해수 나선 추진기 & 1,000Hz 0-Alloc C# 로런츠 펌프 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.SeawaterMhdPropulsion
{
    /// <summary>
    /// 해수 MHD 무빙파츠 제로 스텔스 추진 서보 상태
    /// 0-Alloc ref struct: GC 압박 완전 배제 (1,000Hz 실시간 루프)
    /// </summary>
    public ref struct SeawaterMhdState
    {
        public float SeawaterFlowVelocityMs; // 채널 내 해수 제트 분출 속도 [m/s]
        public float AppliedElectrodeVoltV;  // 전극 인가 구동 전압 [V]
        public float ElectrodeCurrentAmps;   // 채널 관통 해수 전류 [A]
        public float MagneticFieldTesla;     // 초전도 자석 자속 밀도 [Tesla] (4~10 T)
        public float GeneratedThrustNewton;  // MHD 순 전자기 추력 [N]
        public float ElectricalEfficiencyPct;// 전기-추력 변환 효율 [%]
        public float ElectrolysisGasRatio;   // 전기분해 가스 기포 저항율
        public bool IsOptimalThrustMode;     // 최고 효율 추진 잠금 여부
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 UUV 해수 나선 MHD 추진 서보 엔진
    /// </summary>
    public static class SeawaterMhdServoEngine
    {
        // 채널 기하 및 해수 물리 상수
        private const float ChannelLengthM = 1.2f;          // 채널 길이 1.2 m
        private const float ElectrodeWidthM = 0.15f;        // 전극 간격 0.15 m
        private const float SeawaterConductivity = 4.8f;     // 해수 전도도 4.8 S/m
        private const float SeawaterDensity = 1025.0f;       // 밀도 1025 kg/m^3

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (1ms) 단일 실행 프레임: 유속 및 전류 계측 기반 전극 전압 갱신
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void UpdateFrame(
            ref SeawaterMhdState state,
            float measuredFlowSpeedMs,
            float measuredCurrentA,
            float targetThrustN,
            float dtSeconds)
        {
            state.SeawaterFlowVelocityMs = measuredFlowSpeedMs;
            state.ElectrodeCurrentAmps = measuredCurrentA;

            // 1) 전자기 로런츠 추력 계산: F = I * B * L
            float b = state.MagneticFieldTesla;
            float rawThrust = measuredCurrentA * b * ElectrodeWidthM;

            // 2) 유체 마찰 및 전기분해 기포 저항 손실 보정
            float vInd = measuredFlowSpeedMs * b * ElectrodeWidthM; // 역기전력
            float hydroDrag = 0.5f * SeawaterDensity * (measuredFlowSpeedMs * measuredFlowSpeedMs) * 0.025f;
            state.GeneratedThrustNewton = MathF.Max(0.0f, rawThrust - hydroDrag);

            // 3) 전기 추진 효율 계산: eta = (T * u) / (V * I)
            float powerElec = state.AppliedElectrodeVoltV * measuredCurrentA;
            float powerMech = state.GeneratedThrustNewton * measuredFlowSpeedMs;
            state.ElectricalEfficiencyPct = (powerElec > 1.0f) ? MathF.Min(95.0f, (powerMech / powerElec) * 100.0f) : 0.0f;

            // 4) 목표 추력 추종 적응형 전압 제어 (0-Alloc 적분기)
            float thrustError = targetThrustN - state.GeneratedThrustNewton;
            float kp = 0.04f;
            state.AppliedElectrodeVoltV += kp * thrustError * dtSeconds;
            state.AppliedElectrodeVoltV = MathF.Min(120.0f, MathF.Max(vInd + 2.0f, state.AppliedElectrodeVoltV));

            // 5) 최적 효율 모드 판정: 역기전력 비가 60% 이상이고 효율 > 55%
            state.IsOptimalThrustMode = (state.ElectricalEfficiencyPct > 50.0f) && (MathF.Abs(thrustError) < 5.0f);
        }
    }
}