대한민국 해군 울산급 Batch-III 호위함 복합 전기식 추진체계(CODLAG) 가스터빈-전기모터 토크 이음새 없는(Bumpless) 하이브리드 자동 전환 및 부하 분배 1,000Hz 0-Alloc C# 추진제어 엔진

제1장: 울산급 Batch-III CODLAG 추진 메커니즘 및 2축 회전 동역학

울산급 Batch-III 호위함의 추진축계는 좌·우현 2축 독립 구조로 구성되며, 각 축에는 가변피치 프로펠러(CPP), 주감속기어, 추진전동기(PMM), 그리고 SSS 클러치를 매개로 결합되는 대형 가스터빈이 직결됩니다.

제2장: 가변피치 프로펠러(CPP) 사분면 추력·토크 특성 맵 및 캐비테이션 방지

호위함의 추진력 $T_{net}$과 프로펠러 요구 토크 $Q_{prop}$는 무차원 전진비(Advance Ratio) $J$와 날개 피치각비($P/D$)에 의해 결정됩니다:

여기서 $n = \omega_s / (2\pi)$는 초당 회전수(RPS), $D$는 프로펠러 직경($D \approx 3.8\text{ m}$), $\rho_w$는 해수 밀도($1,025\text{ kg/m}^3$)입니다.

제3장: SSS 동기 클러치 체결 및 무충격(Bumpless) 토크 믹싱 기법

SSS 클러치는 입력축(가스터빈 출력축) 속도 $\omega_{in}$이 출력축(감속기어 입력단) 속도 $\omega_{out}$와 정확히 일치하는 동기 회전 속도($\omega_{in} = \omega_{out}$)에 도달하는 순간 헬리컬 스플라인 기구를 통해 래칫 톱니가 자동으로 맞물려 완전 체결됩니다.

제4장: 1,000Hz 실시간 0-Alloc C# 울산급 CODLAG 추진제어 엔진

아래 구현된 Ulsan3CodlagEngine은 1,000Hz(1ms) 주기 내에서 0-Alloc 구조체 상태 머신, 가변피치 프로펠러 부하 연산, SSS 클러치 동기화 판정 및 5차 범프리스 토크 분배를 가비지 컬렉션 부하 없이 완벽하게 실행합니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.Naval.Propulsion
{
    /// <summary>
    /// CODLAG 추진 체계 기계 및 유체역학 파라미터 (GC 무할당 struct)
    /// </summary>
    public readonly struct CodlagParams
    {
        public readonly float PropDiameter;      // D (m) 프로펠러 직경
        public readonly float ShaftInertia;      // J_shaft (kg*m^2) 축계 관성모멘트
        public readonly float GtGearRatio;       // i_gt 가스터빈 감속비
        public readonly float EmGearRatio;       // i_em 전기모터 감속비
        public readonly float MaxGtTorque;       // 가스터빈 최대 토크 (N*m)
        public readonly float MaxEmTorque;       // 전기모터 최대 토크 (N*m)
        public readonly float MaxTorqueRate;     // 최대 토크 변화율 (N*m/s)
        public readonly float SeawaterDensity;   // rho (kg/m^3)
        public readonly float WakeFraction;      // w 반류비

        public CodlagParams(
            float propDiameter, float shaftInertia,
            float gtGearRatio, float emGearRatio,
            float maxGtTorque, float maxEmTorque,
            float maxTorqueRate, float seawaterDensity, float wakeFraction)
        {
            PropDiameter = propDiameter;
            ShaftInertia = shaftInertia;
            GtGearRatio = gtGearRatio;
            EmGearRatio = emGearRatio;
            MaxGtTorque = maxGtTorque;
            MaxEmTorque = maxEmTorque;
            MaxTorqueRate = maxTorqueRate;
            SeawaterDensity = seawaterDensity;
            WakeFraction = wakeFraction;
        }

        public static CodlagParams CreateUlsan3Default()
        {
            return new CodlagParams(
                propDiameter: 3.85f,         // 3.85m 가변피치 프로펠러
                shaftInertia: 12500.0f,      // 12,500 kg*m^2
                gtGearRatio: 18.5f,          // 가스터빈 고감속
                emGearRatio: 5.2f,           // 모터 저감속
                maxGtTorque: 95000.0f,       // MT30 최대 95 kN*m
                maxEmTorque: 28000.0f,       // PMM 최대 28 kN*m
                maxTorqueRate: 15000.0f,     // 15 kN*m/s 토크 상승 한계
                seawaterDensity: 1025.0f,    // 해수 밀도
                wakeFraction: 0.12f          // 반류비 12%
            );
        }
    }

    /// <summary>
    /// 추진 체계 운용 모드 상태 머신
    /// </summary>
    public enum PropulsionMode : byte
    {
        ElectricSilent = 0,    // 전기모터 단독 저속 정숙 (대잠 모드)
        TurbineSynchronizing = 1, // 가스터빈 시동 및 SSS 클러치 회전 동기화
        BumplessBlending = 2,  // SSS 체결 후 하이브리드 토크 크로스페이딩
        CombinedFullPower = 3  // 가스터빈 + 모터 전속 복합 추진 (30노트+)
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 추진축 및 토크 분배 상태 (GC 무할당 struct)
    /// </summary>
    public struct CodlagDynamicState
    {
        public PropulsionMode Mode;     // 현재 운용 모드
        public float ShipSpeedKnots;    // 함속 (knots)
        public float ShaftSpeedRpm;     // 추진축 회전수 (RPM)
        public float GtSpeedRpm;        // 가스터빈 출력축 속도 (RPM)
        public float PitchRatio;        // CPP P/D 피치각비
        public float DemandedTorque;    // 지령 추진 토크 (N*m)
        public float EmTorqueOutput;    // 전기모터 출력 토크 (N*m)
        public float GtTorqueOutput;    // 가스터빈 출력 토크 (N*m)
        public float PropellerThrust;   // 추진기 발생 추력 (kN)
        public float TransitionProgress;// 전환 진행률 (0.0 -> 1.0)
        public bool SssClutchEngaged;   // SSS 클러치 물리 체결 플래그
        public float ShaftTorqueJerk;   // 추진축 토크 미분 진동도 (N*m/s)
    }

    /// <summary>
    /// 울산급 Batch-III CODLAG 하이브리드 추진제어 엔진 (1,000Hz Deterministic Tick)
    /// </summary>
    public sealed class Ulsan3CodlagEngine
    {
        private readonly CodlagParams _params;
        private const float TransitionDurationSec = 3.5f; // 3.5초 범프리스 전환

        public Ulsan3CodlagEngine(CodlagParams codlagParams)
        {
            _params = codlagParams;
        }

        /// <summary>
        /// 프로펠러 Wageningen B-시리즈 다항식 추력 및 토크 계수 근사 (0-Alloc)
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ComputePropellerCoefficients(float advanceRatioJ, float pitchRatio, out float Kt, out float Kq)
        {
            // 전진비 J와 피치비 P/D에 따른 2차 테일러 근사
            float pd = pitchRatio;
            Kt = 0.28f * pd - 0.22f * advanceRatioJ;
            Kq = 0.045f * pd - 0.028f * advanceRatioJ;

            Kt = MathF.Max(0.01f, Kt);
            Kq = MathF.Max(0.002f, Kq);
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (dt = 0.001s) 주기 추진 제어 루프
        /// </summary>
        public void Step(ref CodlagDynamicState state, float dt)
        {
            // 1. 유체역학 속도 및 전진비 환산
            float vsMeterPerSec = state.ShipSpeedKnots * 0.514444f;
            float va = vsMeterPerSec * (1.0f - _params.WakeFraction);

            float rps = state.ShaftSpeedRpm / 60.0f;
            float j = (rps > 0.1f) ? (va / (rps * _params.PropDiameter)) : 0.0f;

            // 2. 프로펠러 부하 토크 및 추력 계산
            ComputePropellerCoefficients(j, state.PitchRatio, out float kt, out float kq);
            float d = _params.PropDiameter;
            float rho = _params.SeawaterDensity;

            float rps2 = rps * rps;
            float propThrustN = kt * rho * rps2 * MathF.Pow(d, 4.0f);
            float propTorqueNm = kq * rho * rps2 * MathF.Pow(d, 5.0f);
            state.PropellerThrust = propThrustN / 1000.0f; // kN 단위

            // 3. CODLAG 모드 전이 및 SSS 클러치 상태 머신
            switch (state.Mode)
            {
                case PropulsionMode.ElectricSilent:
                    state.SssClutchEngaged = false;
                    state.TransitionProgress = 0.0f;
                    // 전기모터가 전 부하 담당
                    state.EmTorqueOutput = MathF.Min(state.DemandedTorque / _params.EmGearRatio, _params.MaxEmTorque);
                    state.GtTorqueOutput = 0.0f;
                    break;

                case PropulsionMode.TurbineSynchronizing:
                    // 가스터빈 가속하여 동기 회전수 도달
                    float targetGtSpeed = state.ShaftSpeedRpm * _params.GtGearRatio;
                    float speedError = targetGtSpeed - state.GtSpeedRpm;
                    state.GtSpeedRpm += MathF.Sign(speedError) * MathF.Min(MathF.Abs(speedError), 450.0f * dt);

                    // 회전 동기화 허용오차 1.5% 이내 시 SSS 클러치 체결
                    if (MathF.Abs(speedError) < (targetGtSpeed * 0.015f))
                    {
                        state.SssClutchEngaged = true;
                        state.Mode = PropulsionMode.BumplessBlending;
                        state.TransitionProgress = 0.0f;
                    }
                    break;

                case PropulsionMode.BumplessBlending:
                    // 5차 퀸틱 다항식 부드러운 토크 크로스페이딩
                    state.TransitionProgress += dt / TransitionDurationSec;
                    if (state.TransitionProgress >= 1.0f)
                    {
                        state.TransitionProgress = 1.0f;
                        state.Mode = PropulsionMode.CombinedFullPower;
                    }

                    float s = state.TransitionProgress;
                    float blendAlpha = (10.0f * s * s * s) - (15.0f * s * s * s * s) + (6.0f * s * s * s * s * s);

                    // 토크 분배
                    float gtShare = blendAlpha;
                    float emShare = 1.0f - (blendAlpha * 0.4f); // 모터는 60% 잔여 보조

                    float targetGtTorque = (state.DemandedTorque * gtShare) / _params.GtGearRatio;
                    float targetEmTorque = (state.DemandedTorque * emShare) / _params.EmGearRatio;

                    state.GtTorqueOutput = MathF.Min(targetGtTorque, _params.MaxGtTorque);
                    state.EmTorqueOutput = MathF.Min(targetEmTorque, _params.MaxEmTorque);
                    break;

                case PropulsionMode.CombinedFullPower:
                    state.SssClutchEngaged = true;
                    state.TransitionProgress = 1.0f;
                    state.GtTorqueOutput = MathF.Min((state.DemandedTorque * 0.78f) / _params.GtGearRatio, _params.MaxGtTorque);
                    state.EmTorqueOutput = MathF.Min((state.DemandedTorque * 0.22f) / _params.EmGearRatio, _params.MaxEmTorque);
                    break;
            }

            // 4. 추진축 회전 운동방정식 적분
            float netDriveTorque = (state.EmTorqueOutput * _params.EmGearRatio) +
                                   (state.SssClutchEngaged ? (state.GtTorqueOutput * _params.GtGearRatio) : 0.0f);

            float netShaftTorque = netDriveTorque - propTorqueNm - (5.5f * (state.ShaftSpeedRpm * 2.0f * MathF.PI / 60.0f));
            float dOmegaDt = netShaftTorque / _params.ShaftInertia;

            float currentOmega = state.ShaftSpeedRpm * (2.0f * MathF.PI / 60.0f);
            currentOmega += dOmegaDt * dt;
            state.ShaftSpeedRpm = MathF.Max(0.0f, currentOmega * (60.0f / (2.0f * MathF.PI)));

            if (state.SssClutchEngaged)
            {
                state.GtSpeedRpm = state.ShaftSpeedRpm * _params.GtGearRatio;
            }

            // Jerk 지수 계산
            state.ShaftTorqueJerk = MathF.Abs(dOmegaDt / dt);
        }
    }
}

제5장: 하이브리드 전환 시뮬레이션 및 토크 충격 분석

울산급 Batch-III 호위함이 12노트 무소음 대잠 초계 중 비상 적 위협 탐지로 30노트 전속 기동 모드로 전환한 10초간의 동적 시뮬레이션 결과입니다: