2010년 3월 26일 밤, 서해 백령도 인근 해역에서 1200톤급 우리 군함, 천안함이 침몰했다. 사고 당시 이 선박은 순식간에 쪼개졌고, 함미 부분은 바로 침몰했다. 대체 천안함과 그 주변에는 어떤 일이 벌어지고 있었던 것일까. 천안함 사고를 둘러싼 다양한 원인 분석이 쏟아졌지만 아직 명확한 원인은 밝혀지지 않았다. 여러 분석 중 눈길을 끄는 것은 ‘선체가 두 동강난 점’을 두고 나오는 이야기들이다. 과거 실험 사례와 실제 침몰 사고 등이 제시된 몇 가지 가능성을 정리해봤다.

튼튼하고 정교하게 만들어진 군함이 두 동강나는 것은 가능한 일일까. 바다 밑에서 쏘는 미사일인 ‘어뢰’나 바다 속에 설치한 지뢰인 ‘기뢰’가 선체를 직접 공격해도 부분적인 파손 등이 있을 뿐 군함 자체가 두 동강으로 쪼개지기는 어렵다. 그보다 큰 충격이 있었거나 다른 이유가 있다는 추정이 가능한 이유다.

선체가 두 동강나 침몰한 경우를 잘 보여주는 실험은 1999년 호주에서 있었다. 당시 호주 서쪽 바다에서 잠수함 판콤호가 퇴역을 앞둔 2700톤급 군함 토렌스호를 향해 어뢰를 쏜 것. 그런데 이 어뢰는 군함을 직접 공격하지 않고 군함 밑바닥을 지날 때 터지도록 설계됐다. 어뢰가 물에서 폭발할 때 가지는 폭발력을 보기 위해서였다.

군함 아래쪽에서 어뢰가 터지자 엄청난 소리와 함께 물기둥이 수면 위로 치솟았다. 토렌스호는 순식간에 두 동강으로 쪼개졌고, 군함의 꼬리는 곧바로 가라앉았다. 머리 부분도 몇 시간 뒤 침몰했다. 이는 어뢰나 기뢰가 수중에서 터질 때 발생하는 ‘버블제트(bubble jet) 효과’ 때문이었다.

어뢰나 기뢰가 수중에서 폭발하면 강력한 충격파와 함께 폭약이 고압의 가스로 변해 거품(버블)이 만들어진다. 이 충격파는 물에 전파돼 군함의 밑바닥을 때리고, 가스로 부풀어 오른 버블은 군함을 들어올린다. 이때 군함은 활처럼 휘었다가 수압으로 버블이 줄어들면 그 중심부가 아래로 처지는데, 이런 과정에서 군함에 균열이 생긴다. 다시 팽창한 버블은 아랫부분부터 깨져 주변의 물을 빨아들이고, 이 물이 물대포처럼 분출돼 군함을 강타하면 두 조각으로 갈라지는 것이다.

KAIST 해양시스템공학과 신영식 교수가 제시한 영상을 보면 300kg의 폭약 어뢰를 선체 2∼3m 아래서 폭발시켰을 때, 9000톤급 구축함이 순식간에 두 동강나는 것을 알 수 있다. 천안함이 1200톤급임을 감안하면 그보다 적은 양의 폭약으로도 함정이 두 동강날 수 있다는 결론이 나온다.

선체가 두 동강이 나 침몰한 사고는 1943년 1월 16일 미국 오레곤주 포틀랜드항에서도 있었다. 당시 항구에 정박해 있던 1만 6000톤급인 스키넥터디호가 갑자기 두 동강나 뱃머리인 함수와 꼬리인 함미 부분이 칼로 자른 듯 매끈하게 끊어졌다. 1998년 1월에도 네덜란드 로테르담에서 캐나다 몬트리올로 항해하던 화물선 플레어호의 중앙 부분이 절단되는 사고가 일어났다.

두 선박이 침몰한 까닭은 ‘피로 파괴(fatigue fracture)’다. 이는 오랜 세월 충격과 압력으로 누적된 재료의 피로와 균열 때문에 선체 용접 부분이 갑자기 끊어지는 현상이다. 금속을 계속 구부렸다가 펴면 절단되는 것처럼, 작은 균열로 피로가 쌓여있던 부분이 무게를 견디지 못해 갑자기 파괴되는 현상을 피로 파괴라고 말한다. 이 경우 절단 부위가 칼로 자른 듯 매끄럽다.

피로 파괴는 대부분 철심을 이용해 철판과 철판을 이어 붙이는 ‘릴식 용접’에서 발생할 수 있다. 이 경우 용접 부위에 작은 균열이 여러 개 생기게 되면 작은 하중에도 균열이 급속히 진행돼 순간적으로 파괴될 수 있는 것이다. 하지만 군함이 피로 파괴로 두 동강난 사례가 전혀 없고, 1970년대 이후 국내에서 릴식 용접으로 선체를 이어붙인 선박이 없어 이 현상으로 선체가 절단된 사례는 없다.

이에 천안함이 자체 하중을 버티지 못해 ‘전단 파괴(shear failure)’됐다는 가능성도 제기된다. 전단 파괴란 어떤 물체에 지나친 무게를 실었을 때, 물체가 두 동강난 채 파괴되는 현상을 말한다. 선체 머리와 꼬리 부분 양쪽에 힘이 가해지면 중간 부분에 피로가 누적되다가 마치 가위로 자른 것처럼 부러지는 것이다.

배를 머리와 꼬리, 가운데로 구분할 때, 가운데 부분에는 전단력이 크게 가해진다. 무릎에 막대기를 올려놓고 양 손으로 부러뜨릴 때 중앙에 힘이 집중되는 것처럼, 선체 가운데에 비해 부력을 적게 받는 뱃머리와 꼬리가 선체 양쪽을 누르는 효과가 생겨 전단력을 많이 받는 것이다.

선체는 늘 전단력을 받고 있기 때문에 피로도가 쌓이게 되는데, 만약 전단력을 받는 부분에 어떤 충격이 주어지거나, 높은 파도 위에 올라타는 등 특별한 요인이 발생하면 배가 쪼개질 수도 있다. 실제로 1982년 일본의 8만 톤급 상선은 태평양에서 강한 파도를 맞아 두 동강나기도 했다.

물론 배의 가운데 부분은 전단력에 견딜 수 있도록 튼튼하게 설계되므로 평소에는 큰 문제가 없다. 하지만 전단력이 발생하는 부분에 물이 새거나, 더 많은 무게를 싣기 위해 개조했을 경우에는 배의 각 부분에 작용하는 부력이 불균형해지면서 배가 쪼개질 수 있다.

이렇게 배가 두 동강날 수 있는 가능성은 생각보다 다양하다. 현재 국방부가 무게를 두고 있는 쪽은 어뢰 등이 수중에서 폭발한 것이지만, 피로 파괴나 전단 파괴 등도 가볍게 볼 수 없다. 현재 진행중인 인양 작업이 잘 이뤄져서 정확한 원인을 밝히고, 다음에 이런 사고가 다시 일어나지 않도록 여러 방면으로 대비해야 할 것이다.

글 : 박태진 과학칼럼니스트

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  1. 글쎄요?  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    내용 잘 보았습니다. 그러나 이중 전단파괴는 전혀 가능성이 없는 문제인듯 합니다. 전단파괴 대부분이 한쪽 부분에 지나친 하중이 부담되어 양단되는 것이긴 하나 이는 파도가 높을때 선체의 일부가 허공에 뜰때 나타나는 현상이죠 저항이 없어지니 말입니다. 그러나 당일 날씨는 거친 파도가 일어나는 해상기후가 아니었습니다. 그러니 전단파괴는 불가하며 또한 군함의 성격상 한쪽에 지나치게 화물을 적재할 이유 역시도 없었으니 이유가 아니기 때문입니다.

    어뢰에 의한 파괴가 가장 커 보이며(사고 조사결과는 기뢰로 나오겠지만..) 이에 대한 대응을 어떻게 할것인지 고민해야 합니다.

    피로파괴 역시 상식적으로나 최근 천안호 근황상 피로파괴는 대한민국이 조선 강국임을 부인하는 작태이기도 하며, 가능성 또한 없다고 판단 됩니다.

    북이던 미군이던 대응책 마련을 해야 합니다.

    2010.04.12 15:31
    • 바다하늘구름사랑  댓글주소  수정/삭제

      잘못아셨네요
      선미 후미에 2톤이상 되는 미사일을 싣고 있었습니다.
      이부분은 지속적인 하단압력을 가한것으로 보도되고 있습니다. 관련내용은 인터넷에 많이 있답니다

      2010.04.12 16:02
    • 케이군  댓글주소  수정/삭제

      가장 큰 가능성이 윗글에 나온 피로파괴 + 전단파괴로 보입니다. 어뢰나 기뢰는 그야말로 "제발 그랬으면 좋겠다!!!"라는 가능성일 뿐이고요. 과거 해전 때... 천안함은 이미 북측의 함포에 후미를 피격당해 수리를 했고요. 이후... 노무현 대통령 당시, 해군현대화 작업에 의해 함정교체작업을 실시하려고 했습니다만... 이명박 정권 들어와 다른 곳에 쓰이기 위해 전면 취소되었고요. 1200톤급함정에 2000톤급 장비를 실어놓고 운항 중에 사고가 난 것이거든요. 이건 뭐 다른 것도 아니고 국방부에서 발표한 내용 그대로입니다. 게다가 전역병과 생존병... 그리고 이번에 돌아가신 군장병들이 가족과의 이야기에서 보면 매번 물이 새들어오고 입항할 때마다 수리를 했다는 증언을 했습니다. 사고 난 자동차도 완벽히 수리가 안 돼는데... 건조된지 30년은 족히 된 1200톤짜리 배가 수리 좀 한다고 해서 완벽히 정상이 될까요? 그냥 완전히 녹여서 새로 강판을 뽑아내지 않은 이상... 금속의 피로는 누적되어 있기 마련입니다.

      2010.04.13 14:22
    • 케이군  댓글주소  수정/삭제

      보나마나... 물이 새어들어오고... 균열이 갑작스레 엄청 심해지자... 함장이 부랴부랴 수심이 낮은 곳으로 이동하다가(평소 그런 수심 낮은 곳으론 안 가는데 그런 곳에서 사고가 나서 미스테리라고 하죠?) 결국 배가 견디지 못하고 절단이 난 것이죠. 간부와 몇몇 상황병 근무병들은 자리잡고 있었고(덕분에 무사탈출...생존 병사들의 증언에 죄책감을 느낀다고 나왔죠?) 궂은 일 도맡아 하기로 유명한 하사관급들과 병사들이 물 빼고 땜질수리하러 들어갔다가 이번 참사가 일어난 것이죠. 참 이 가설의 결정적인 증거는... 항해사...(였던가요?) 침몰 몇 분 전에 위로 보고한 내용이 "물이 새 들어온다!!" 였습니다. 헌데 지금 국방부에서는 이것을 전면 부정하고 있지요. 첨엔 전면부정(그런 일 없다!!)하다가... 이 내용이 널리 퍼지고 나자... 그런 보고가 들어왔지만... 그건 잘 못된 보고였다..라고 발표했죠. 풋... 여기 전부 군대들 다 다녀오셨죠? 잘못된 보고가 가능한가요? 절대 불가능합니다. 어두운 밤에 초병이 수상한 사람을 봤다...라는 식의 명료하진 않으나 결국 사실인 보고는 있을 수 있지만... 수상한 사람을 보고 총을 쐈는데... 사실은 수상한 사람만 보고 총을 쏘진 않았다...라고 보고하진 않습니다. 명료한 사실과 그에 따른 행동결과를 보고하죠. 설마 간 크게도 대충 때려맞춰서 보고하는 게 가능할까요? 이미 위에 보고하기 전에 "정말 물이 새들어 오는게 맞느냐??" 라고 2,3번은 확인을 하고 위에 보고하죠.

      2010.04.13 14:35
  2. 글쎄요?  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    바다하늘님? 2톤이라는 화물이 하단압력에 큰 작용이라면? ㅎㅎ 지속적인 하단압력이라?? 당연히 무기를 실었겠지요!
    20톤도 아닌 2톤을~ 2톤이라는 충격이 아닌 (충격이라도 무방)적재물 무게로 피로파괴를 말하는건가요? 아니면 전단파괴를 말하는 건가요?

    인양해 보면 아시겠지만 피로이던 전단이던 아닙니다. 전단파괴는 파고가 높을때 선박 앞부분이던 뒷부분 또는 중간 부분이 허공에 노출되어 하중을 받아야할 해수면 위에 붕 떠있기에 가능 하단 말입니다.

    신문기사 이전에 사고 당일 날씨부터 보셨으면.... 그리고 그정도의 파고가 칠려면 먼바다일때 가능하답니다.

    2010.04.12 17:02
  3. 글쎄요?  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    정말 천안함이 파괴된 원인을 정말 모르는 건가요? 아니면 인정하기 싫은 건가요? 혹은 납득 할 수 없는건가요? 후자가 가장 현명 하겠지요!! 납득하지 못할 일이 발생 하였으나 분명 원인은 있답니다. 중요한건 사고 원인중 피로파괴나 전단파괴는 둘 다 아니라는 것이지요!! 내부폭발로 인한 것이다라는 결론만 아니길 바랍니다!! 어떤 결론도 좋으나....

    2010.04.12 17:06
  4. 달빛천사  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    국방부가 은페할려고 하는거죠?아무튼 외로에 맞았거나 아니면 지뢰에 둘중하나입니다..

    왜냐 자기들 국방의힘이 이것밖에 안되고 심지어 전쟁론까지 뻐지면 언론들이 난리나는거겠죠..

    제잘 진실로 마무리하고 빨리 천안함 속보 끝내십다.지겹네요~~

    2010.04.12 18:36
  5. 이미 결론은 인터넷이 나와 있음  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    1533특기병 출신 예비역들의 말을 종합해보면 사고 순간의 TOD 영상이 존재할 것으로 아주 강하게 추측할 수 있지만, 국방부가 없다고 하니 이 문제는 더이상 언급하지 않겠습니다.

    다만 사고 직후 공개된 TOD영상을 보니 외부 폭발이 없었다고 보여집니다. 외부 폭발이 있었다면 영상이 그렇게 깨끗하게 나올수가 없지요. 두 부분으로 절단된 함선 주변에 엄청난 부유물과 화재의 흔적, 기름찌거기 등이 TOD영상에 잡혀야 하는데 공개된 영상에서는 전혀 확인 할 수 없었습니다.

    또한 생존 장병 중 화상, 장파열, 안구 파열, 고막 파열 등 중상자가 없다는 것은 화약폭발물에 의한 절단이 아니라는 아주 강한 증거입니다. 이점 또한 언론이나 국방부에선 언급을 하지 않죠.

    2010.04.12 22:02
  6. tungsten  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    국방부나 언론에서는 외부공격에 대해 언급을 많이 하는데, 이건 뭐 공안시대도 아니고, 국방불안을 가중시켜 6월 지방선거때 유리하고자 하는 마음이 있는 것같아 좀 짜증나네요.

    사실 외부 공격이 있었다면 생존자중에 부상자가 최소한 있어야 하는거 아닌가요?
    하지만, 외부 중상자가 없는 걸 봐서는 갑작스러운 공격으로 배가 부서졌기 보다는 조짐이 보였고, 이로 인해
    피할사람은 피하고 못피한 사람은 못피한 결과가 아닐까 생각됩니다.

    그리고 공격을 받았다면, TOD병들은 눈만뜨고 귀는 막았다는 건가요?
    조용한 밤에 총 한발만쏴도 멀리서도 들리는데, 만일 공격을 받았다면, TOD병들은 잔건가요?

    제가 보기에는 누군가 책임은 물을 것이지만, 지방선거도 이용해 먹고, 최대한 피해가려는 사람들의 장난으로 밖에
    보이지 않는 사고내요...

    물론 희생자들에게는 죄송한 얘기지만요..

    2010.04.13 12:53
  7. 냥이  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    배를 설계할때는 최악의 상황을 가정하여 최대한 많은 시나리오를 세워서 다 시험하고 이 데이터를 선급이라고 불리는 검사기관에 설계도면과 함께 보내어서 만들어도 좋다는 허가가 떨어지면 만듭니다.(현제 운행하는 모든 배는 최악의 상황에도 견딜 수 있다는 것이죠.)
    피로파괴가 무엇인지 간단히 설명드리겠습니다. 우선 엿가락을 잘 휘어지게 녹입니다. 그리고선 위 아래로 흔들죠.(이게 호깅와 세깅입니다. 운행하는 모든 배가 격는 현상이죠.)그리고 때때로 엿가락을 비틀고 위 아래로 흔듭니다.(이런 일이 일어 날 수 도 있습니다.) 계속 그러다가...어느순간...뚝!
    하지만 요즘에 들어 모든 배는 피로파괴에 의한 침몰사고는 일어나지 않습니다.(사고가 일어나기전 배가 운항하는 동안 수많은 검사를 하죠.) 그 검사에서 불합격이면 그 배는 완벽히 고쳐질때까지 운행중지입니다.
    완벽히 고쳐쳤다. 그럼 또 검사를 하여 합격이면 그재서야 운항가능합니다.

    2010.04.13 14:05

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