■ 천안함 침몰과 폭발의 유형

천안함은 전형적인 수중폭발(UNDEX : Underwater explosion) 현상 때문에 파괴, 침몰됐다는 것이 민ㆍ군 합동조사단의 공식 조사결과다. 민군 합동조사단은 이날 선체의 용골이 위쪽으로 크게 변경되고, 외판이 급격하게 꺾이고 선체가 파단된 것이 북한 어뢰의 수중폭발에 의한 충격파(Shock Wave)와 버블 효과(Bubble Effect) 때문이라고 명시했다.











합동조사단은 공식 발표문에서 “함정이 좌우로 심하게 흔들리는 것을 방지해 주는 함 안정기에 나타난 강력한 압력 흔적, 선저 부분의 수압과 버블 흔적, 열 흔적이 없는 전선의 절단은 수중폭발에 의한 강력한 충격파와 버블 효과가 함정의 절단과 침몰의 원인”이라고 강조했다. 특히 이번 천안함 침몰 사건의 경우 정밀 시뮬레이션 결과 좌현에서 3m, 수심 6~9m에서 어뢰가 폭발한 것으로 추정되고 있어 충격파가 버블 효과와 함께 복합적으로 선체를 파괴시키는 원인이 되었다는 분석이다.

◆ 충격파는 무엇?

수중에서 폭발이 일어나면 가장 먼저 폭발 자체의 충격파(shock wave)가 생긴다. 음속 혹은 음속보다 더 빠른 속도로 퍼지는 충격파는 총 폭발 에너지의 54%를 차지할 정도로 위력이 매우 강하다. 비록 충격이 지속되는 시간이 짧지만 폭발거리가 가까울 경우 선체 구조에는 치명적인 타격을 준다. 공기와 달리 물은 밀도가 높아 충격을 전달하는 힘이 매우 강하기 때문이다.

◆ 버블 맥동으로 선체 절단

충격파가 선체 하부에 처음 충격을 가한 것과 거의 동시에 물 속에서 가스 버블(Gas Bubble)이 생긴다. 수중폭발로 생기는 가스 버블은 전체적인 폭발 에너지의 46% 정도를 차지하지만 다양한 효과로 선체에 상대적으로 장시간에 걸쳐 지속적인 타격을 준다. 이번 천안함 침몰 사건의 경우에도 이 같은 버블의 다양한 효과가 파괴의 주요 원인이라는 것이 합동조사단의 입장이다.

가스 구체 혹은 공동(cavity), 또는 스팀 공동(Steam Void)으로도 부르는 가스 버블은 폭발로 생성된 공기 방울의 일종으로 온도와 압력이 매우 높은 상태다. 이 가스 버블이 높은 압력으로 물을 밀어내면서 커지면 그 물이 수상함에 빠른 속도로 부딪치며 유체에 의한 압력파를 먼저 가한다.

일단 생성된 버블은 확장-수축을 반복한다. 이것이 버블 맥동(Pulse)이다. 만약 가스 버블이 수상함의 가운데 아래쪽에서 팽창하면 효과는 더욱 극적이다. 중어뢰의 폭발로 발생한 지름 10~20m 정도의 가스 버블은 엄청난 부력을 가진다. 단순히 물 위로 떠오르는 정도가 아니라 버블 위에 자리한 선체를 수면 밖으로 띄워버릴 정도의 괴력을 발휘한다.

함수와 함미 끝은 관성과 중력에 의해 원위치에 그대로 있으면서 중앙부만 위로 치켜올려져 중앙부가 균열된다. 수중폭발로 생긴 가스 버블의 압력이 물의 압력보다 낮아지면 버블이 다시 수축한다. 이때는 반대로 선체 중앙부 아래에서 받치는 힘이 없어지게 되므로 선체 자체의 무게에 의해 중앙부에 또다시 엄청난 힘이 가해져 심할 경우 선체가 절단돼 버린다.

◆ 버블의 여러 효과

가스 버블 확장-수축 반복 횟수는 경우에 따라 3~10회, 혹은 그 이상인 경우도 있을 정도여서 선체 중앙부를 완전절단ㆍ파괴시켜 버린다. 물론 확장-수축을 반복하면서 가스 버블의 최대 확장 반경은 점차 작아지지만 최초 가스 버블 발생 지점보다 더 위로 떠오르면서 확장-수축을 반복하므로 그 위에 자리잡은 수상함 입장에선 적지 않은 충격을 연속적으로 받는 상태가 된다. 이처럼 버블이 요동치는 현상은 함선의 척추 격에 해당하는 용골(keel)과 거더(Girder) 등에 상당한 무리를 준다.

마지막으로 버블이 수축해서 터질 때 물을 빠른 속도로 내뿜는 현상이 발생하기도 한다. 물기둥, 버블 제트(Bubble Jet) 혹은 제트 임펙트(Jet Impact)라고 표현하는 이 현상도 선체에 물리적 손상을 일으킨다. 이처럼 수상함 아래에서 일정한 거리를 두고 어뢰가 폭발하면 쇼크 웨이브와 버블에서 파생된 여러 가지 손상 효과가 연쇄적인 타격을 입히는 셈이다. 이번 사건에서도 해안 초병에 의해 높이 100m의 물기둥이 식별되어 버블 효과 발생 사실이 확인됐다.
　
■ 수중 폭발의 근거

그동안 수중폭발에 의한 버블 효과가 발생했다면 물기둥이 관측돼야 하지 않느냐는 지적이 많았다. 이와 관련 민·군 합동조사단은 이번 천안함 사건의 경우에도 네 가지 증거를 근거로 물기둥 현상이 관측됐다는 점을 분명히 했다. 우선 백령도 해안 초병이 2~3초간 높이 약 100m, 폭 20~30m의 백색 섬광 기둥을 관측했다는 진술이다. 천안함 좌현 견시병도 충격으로 쓰러졌을 때 얼굴에 물이 튀었다는 진술을 했다.

승조원들 탈출 과정에서 현창 등에 물이 고여 있는 것을 목격한 것도 물기둥이 있었다는 증거다. 또한 화약 흔적이 절단부에 집중되기는 했으나 선체 전반에 걸쳐 조금씩 발견된 것도 화약 성분을 포함한 물기둥이 위로 솟아올랐다 선체 위로 흩어지면서 떨어진 증거라고 할 수 있다.

이 밖에 사체 검안 결과 파편상이나 화상의 흔적이 발견되지 않고, 골절과 열창 등이 관찰되는 것도 수중 폭발에 따른 충격파와 버블 효과의 현상과 일치하는 점이다.

지진파나 공중음파 분석결과도 이번 사건이 수중폭발에 의한 것이지 좌초나 기타 다른 요인에 의한 것이 아니라는 점을 뒷받침한다. 한국지질자원연구원의 지진파와 공중음파를 분석한 결과, 지진파는 4개소에서 진도 1.5 규모로 감지됐었다. 공중음파는 11개소에서 1.1초 간격으로 2회 감지됐다. 또한 지진파와 공중음파는 동일 폭발원이었다. 이 같은 현상도 이번 수중폭발에 의한 충격파와 버블 효과 때 나타나는 현상과 일치한다.

국방과학연구소 주도로 수 차례에 걸친 시뮬레이션 결과도 수중폭발을 뒷받침한다. 여러 가지 조건을 놓고 컴퓨터로 계산한 결과 수심 약 6~9m, 가스터빈실 중앙으로부터 대략 좌현 3m의 위치에서 총 폭발량 200~300㎏ 규모의 폭발이 있었다는 것이다. 이처럼 증언, 천안함 희생자 상태, 지진파, 공중음파, 시뮬레이션 결과 등 모든 조사 결과들이 이번 사건이 수중폭발, 다시 말해 어뢰에 의한 수중폭발로 발생한 것임을 강하게 뒷받침하고 있다.

김병륜  lyuen@dema.mil.kr