대한민국 해군 잠수함사령부 KSS-II/III AIP(공기불요추진) 고분자전해질(PEMFC) 연료전지 산소-수소 반응열 분산 냉각 & 30일 은밀 잠항 수중 열음향(Thermoacoustic) 억제 1,000Hz 0-Alloc C# 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Defense.SubmarineSystems
{
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 16)]
    public struct AipFuelCellTelemetry
    {
        public Vector256<float> StackTemperaturesC; // 8개 주요 스택 구역 온도 (°C)
        public float TotalElectricPowerKw;          // 총 발전 출력 (kW)
        public float TotalWasteHeatKw;              // 총 반응 폐열 (kW)
        public float SeawaterDeltaTempC;            // 해수 방출 온도차 (°C)
        public float ThermoacousticNoiseDb;         // 방사 열음향 노이즈 레벨 (dB re 1uPa)
        public bool IsStealthThresholdSatisfied;    // 스텔스 잠항 음향 기준 충족 여부
    }

    public sealed class AipFuelCellCoolingEngine
    {
        private const float ThermoneutralVoltage = 1.481f; // 열중립 전압 (V)
        private const float TargetStackTempC = 68.0f;       // 최적 운전 온도 (°C)
        private const float SeawaterAmbientC = 12.0f;       // 심해 해수 온도 (°C)
        private const float MaxAllowedNoiseDb = 35.0f;      // 극저소음 은밀 잠항 한계선 (dB)

        private AipFuelCellTelemetry _telemetry;
        private float _pumpFlowRateKgS = 8.5f;

        public AipFuelCellCoolingEngine()
        {
            _telemetry.StackTemperaturesC = Vector256.Create(68.0f, 68.2f, 67.9f, 68.1f, 68.0f, 68.3f, 67.8f, 68.0f);
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public ref readonly AipFuelCellTelemetry StepCoolingDynamics(
            float cellCurrentA, float cellVoltageV, int totalCellsInSeries, float dt)
        {
            // 1. 셀 전기 출력 및 폐열 계산
            float powerKw = (cellCurrentA * cellVoltageV * totalCellsInSeries) / 1000.0f;
            float wasteHeatPerCellW = cellCurrentA * (ThermoneutralVoltage - cellVoltageV);
            float totalWasteHeatKw = (wasteHeatPerCellW * totalCellsInSeries) / 1000.0f;

            _telemetry.TotalElectricPowerKw = powerKw;
            _telemetry.TotalWasteHeatKw = totalWasteHeatKw;

            // 2. 8구역 스택 온도 섭동 및 쿨런트 냉각 (SIMD 병렬)
            Span<float> temps = stackalloc float[8];
            _telemetry.StackTemperaturesC.CopyTo(temps);

            float specificHeatCoolant = 3800.0f; // J/(kg*K)
            float heatRemovalCapacityKw = (_pumpFlowRateKgS * specificHeatCoolant * 4.5f) / 1000.0f;
            float netHeatKwPerZone = (totalWasteHeatKw - heatRemovalCapacityKw) / 8.0f;

            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                // 열용량 C_th = 45 kJ/K 가정
                float dTemp = (netHeatKwPerZone / 45.0f) * dt;
                temps[i] += dTemp;
            }

            // 3. 펌프 유량 피드백 제어 (스택 평균 온도를 TargetStackTempC로 수렴)
            float avgTemp = (temps[0] + temps[1] + temps[2] + temps[3] + temps[4] + temps[5] + temps[6] + temps[7]) * 0.125f;
            float tempError = avgTemp - TargetStackTempC;
            _pumpFlowRateKgS = Math.Clamp(_pumpFlowRateKgS + tempError * 0.85f * dt, 4.0f, 15.0f);

            // 4. 해수 열교환기 방출부 온도차 및 열음향 노이즈 계산
            float seawaterDeltaT = totalWasteHeatKw / (_pumpFlowRateKgS * 4.184f + 25.0f);
            _telemetry.SeawaterDeltaTempC = seawaterDeltaT;

            // 수중 열음향 파동 진폭 근사 (dQ/dt 급변에 비례)
            float heatGradient = MathF.Abs(tempError) * 12.0f;
            float noiseLevelDb = 22.0f + 10.0f * MathF.Log10(heatGradient + 1.0f) + seawaterDeltaT * 3.5f;
            _telemetry.ThermoacousticNoiseDb = noiseLevelDb;
            _telemetry.IsStealthThresholdSatisfied = (noiseLevelDb <= MaxAllowedNoiseDb && seawaterDeltaT < 1.2f);

            _telemetry.StackTemperaturesC = Vector256.Create(
                temps[0], temps[1], temps[2], temps[3], temps[4], temps[5], temps[6], temps[7]);

            return ref _telemetry;
        }
    }
}