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지난 3월 26일 밤 서해 백령도 남서쪽 바다에서 가라앉은 해군 초계함 천안함은 어뢰가 수중에서 폭발하면서 일어난 비(非)접촉 폭발로 선체가 두 동강이 나 침몰했다는 조사 결과가 나왔다. 천안함 침몰 원인을 조사하고 있는 민군 합동조사단(단장 윤덕용 KAIST 명예교수)은 5월 20일 오전 10시 국방부 대회의실에서 “천안함은 북한 잠수정이 쏜 중(重)어뢰가 물속 근접 거리에서 폭발하면서 발생한 강한 충격을 받아 두 동강이 났다”고 발표했다.

민군 합조단은 이와 함께 ‘결정적 증거’로 5월 15일 천안함이 침몰한 인근에서 인양한 어뢰 부품의 일부로 추정되는 프로펠러와 추진모터, 조종장치를 공개했다. 윤덕용 단장은 “약 2달간 과학수사, 폭발유형분석, 선체구조관리, 정보 분석 등 4개 분과로 나눠 정밀 조사한 결과 천안함의 침몰 원인은 북한 잠수정이 쏜 어뢰라는 데 의견 일치를 봤다”며 “이번 조사가 과학적이고 객관적으로 이뤄졌다”고 강조했다.

민군 합조단의 이번 발표로 침몰 원인에 대한 여러 의혹 가운데 상당 부분이 해소됐지만 일부에선 풀리지 않은 부분이 여전히 남아 있다는 주장이 나오고 있다. 실종자들의 휴대전화가 끊어진 그날 밤 9시 15분부터 9시 22분 사이, 천안함에서는 무슨 일이 벌어진 걸까.

10m 이내 폭발해야 충격 가장 세

민군 합조단은 “선체의 손상 부위를 분석한 결과 천안함은 수심 6~9m, 가스터빈실 중앙 좌현에서 3m 떨어진 지점에서 TNT 200~300kg이 폭발하면서 발생한 충격파와 버블효과로 배가 두 동강 났다”고 밝혔다.

민군 합조단은 그 근거로 선체 용골이 위쪽으로 크게 변형되고 선체 바깥 면이 급격하게 꺾이며 잘려나간 사실을 제시했다. 또 주갑판과 가스터빈실 격벽이 크게 변형된 점, 함수와 함미 밑바닥이 아래쪽에서 위쪽으로 꺾인 점도 근거라고 밝혔다.

배가 좌우로 흔들리는 것을 방지하는 선체 밑바닥의 함 안정기와 배 밑바닥에 압력을 받은 흔적이 나타났고 절단면의 전선에서 열 흔적이 발견되지 않은 것도 버블효과의 증거라고 제시했다. 내부에서 폭발이 일어났다면 합성수지로 된 전선피복이 타면서 그을음이나 불탄 흔적이 나타나야 하지만 그런 흔적이 발견되지 않았다는 것이다.

천안함 같은 전투함정과 잠수함은 어뢰나 기뢰의 위협에 노출돼 있다. 수중에서 폭발이 일어나면 충격으로 배가 찢기거나 충격파가 선체에 전해지고, 폭발이 일어난다. 또 선체 일부가 조각나거나 배의 용골과 대들보 같은 함선의 뼈대가 상하로 요동치는 ‘휘핑(whipping)현상’이 일어나 두 동강 나는 경우도 있다.

수중에서 폭발물이 터지면 1차적인 충격파와 강한 거품(버블), 바닥에 맞고 다시 튀어 나온 반사파가 발생하는데 이들은 각각 매질인 물을 통해 폭발 에너지를 전달한다. 폭발에너지의 53% 정도가 충격파로, 나머지가 가스구체의 버블효과로 전해진다. 민군 합조단도 이번 조사 발표에서 폭발에너지 54%가 충격파로 전달됐다고 밝혔다. 함정구조물 전문가들에 따르면 수중폭발은 목표물 10m 이내서 발생했을 때 파괴력이 극대화된다. 질소와 수소, 탄소, 산소로 구성된 TNT는 기폭 장치가 터지면 충격파로 분자 결합이 깨지면서 초속 6.7km의 속도로 폭발하고 4000psi(프사이, 1psi=약 0.06기압) 이상의 압력을 발생시킨다.

충격파는 폭발 영향권 안에 있는 함정에 가장 직접적인 충격을 가한다. 폭약이 무거울수록, 거리가 가까울수록 충격은 더 크다. 전문가들은 “주파수가 높은 충격파가 순간적으로 전해진 뒤 급격히 사라지면서 선체 구조에 급속한 변화를 준다”고 말한다. 그러나 1차 충격파가 배를 두 동강 냈을 확률은 적다. 선체에 충격파가 전달되면 보통은 함정 탑재 장비와 지지부, 선체 일부 판구조가 날아가는 정도다.

진짜 문제는 충격파에 이어 전해지는 강한 버블효과다. 민군 합조단은 “수중 폭발 후 생긴 버블효과가 천안함의 선체에 심각한 손상을 줬다”고 밝혔다. 폭발과 함께 발생한 거품은 ‘수축·팽창·수축’을 주기적으로 반복하면서 부력으로 물 위로 떠오른다.

물질은 저마다 고유한 진동수로 자유진동을 한다. 그런데 여기에 주파수가 일치하는 진동이 외부에서 주기적으로 일어나면 진폭이 뚜렷하게 증가하는 공진(共振)현상이 일어난다. 가스구체의 맥동운동(수축·팽창하며 진동하는 현상) 주기는 함정 선체 대들보(거더)의 상하방향 고유진동수와 비슷하다. 천안함 역시 가스구체의 수축 팽창 주기와 맞아 떨어지면서 선체가 크게 상하로 요동쳤고 결국 선체가 두 동강 났다는 것이 민군 합조단의 설명이다.

수중 폭발이 일어날 때 발생하는 전체 충격의 세기를 알려면 폭약 종류와 중량, 폭발 거리, 입사각을 정확히 알아야 한다. 천안함 침몰 분석 과정에서 선체구조 변화를 시뮬레이션한 한국기계연구원 정정훈 박사가 “TNT 250kg, 가스터빈실 중앙 좌현에서 3m 떨어진 수심 6~9m 지점이라는 수치를 넘겨받아 역으로 시뮬레이션을 돌렸다”고 밝힌 것도 이런 이유에서다.

이번 조사에서 민군 합조단은 폭발 유형에 따른 다양한 조건을 입력해 시뮬레이션 분석을 했다. 수심 6~13m에서 어뢰 탄두 크기와 같은 200~300kg의 폭발물이 터졌을 때를 고려해 30가지 조건을 마련했다. 함체 좌현이 밀려들어가면서 갑판이 들려 올려지는 경우는 천안함 좌현 3m, 수심 6∼9m 부근에서 폭발물이 터졌다는 조건 값을 넣었을 때만 나타나는 것으로 민군 합조단 측은 밝혔다.

수중 폭발, 국내서 꾸준히 연구

한국은 이미 2000년~2007년 가스구체와 수중 폭발에 대한 연구를 수차례 진행한 일이 있다. 해군이 214급 잠수함을 도입하고 KDX-III와 독도함 같은 대형 함정을 도입하는 과정에서 적의 수중 공격을 대비하기 위한 방안들이 마련됐다. 특히 수중에서 주로 활동하는 잠수함은 수상함정보다 수중 폭발 과정에서 생기는 가스구체의 힘에 더 취약하다. 당시 국방과학연구소와 대우중공업, 현대중공업, 한국기계연구원과 한양대, 한국해양대 등 국내 관련 기업과 대학에서 중점적으로 관련 연구를 수행한 것으로 확인됐다.

해군에 함정을 공급하는 국내 한 조선회사에서는 TNT 100kg이 잠수함 선체 아래에서 폭발했을 때를 가정한 실험이 진행되기도 했다. 그런데 당시 실험에서는 선체 바로 아랫부분에서 폭발이 일어났을 때, 또 공진이 발생했을 때 선체 중앙에 가장 큰 충격이 전해지는 것으로 나타났다.

그간 연구에 따르면 가장 큰 충격은 폭발물이 선체 중앙부 직하에서 터졌을 때 나타났다. 이에 비해 천안함의 경우는 선체 좌현 3m 지점, 수심 6~9m에서 TNT 250kg이 폭발로 인해 두 동강이 났다. 그간 알려진 연구결과와는 다소 차이가 난다.

수중폭발이 일어났다고 선체가 반드시 두 동강이 나는 것도 아니다. 실제로 버블효과의 결과는 제각각이다. 폭발 위치와 폭발물 종류는 같아도 공진이 발생하지 않는 경우 선체를 변형시키는 힘은 급속히 줄어든다. 200~300kg 폭발물이 선체를 두 동강 낼 만큼 충분한 충격을 줄 수 있는가에 대한 의문에 대해 민군 합조단 측은 “북한 어뢰에는 일반 폭약보다 강력한 폭약이 쓰여 실제론 200~300kg 이상의 폭발력을 지녔을 가능성이 높다”며 “폭약에 알루미늄을 섞으면 폭발력이 더 커진다”고 설명했다.

민군 합조단은 수중폭발의 원인을 북한이 1980년대 개발한 ‘CHT-02D’어뢰라고 지목했다. 과학수사에서는 폭발 원인을 찾기 위해 폭발흔에 남아 있는 성분을 반드시 조사한다. 민군 합조단이 근거로 주목한 점도 천안함 선체 8곳과 인양된 어뢰 2곳에서 발견된 알루미늄 성분이다. 인양된 어뢰 부품 가운데에도 알루미늄 조각이 포함됐다.

보통 알루미늄은 화학 반응이 매우 강하게 일어나는데, 특히 가루 상태의 알루미늄은 공기 중 산소와 격렬히 반응해 폭발한다. 알루미늄처럼 주기율표상 위쪽에 위치한 가벼운 금속은 다른 금속보다 불안정성이 더 크기 때문이다. 어뢰 폭약에 알루미늄 가루를 넣으면 폭발 지속 시간이 늘어나고, 결과적으로 폭발력이 커지는 효과가 있다. 이런 반응성 때문에 알루미늄은 어뢰의 재질로 사용되기도 한다.

순간적인 고열과 공기에 노출된 알루미늄 표면에는 매우 단단한 비결정 산화알루미늄 층이 형성된다. 산화알루미늄 층은 공기와 물이 스며들 수 없어 알루미늄을 훌륭히 보호한다. 어뢰 재질로도 폭약 성분으로도 사용될 수 있다는 얘기다.

민군 합조단은 어뢰 부품 일부가 수거되자 어뢰가 3월 26일 천안함 타격에 쓰인 것인지를 입증하는 작업에 들어갔다. 여기에는 X선 분석이라는 재료 분석 방법이 사용됐다. 물질은 저마다 고유한 파장과 에너지가 나오고 X선을 쏘면 특정한 각도로 튀어나가는 성질이 있다. 서로 다른 곳에서 발견된 두 물질에 X선을 쐈을 때 튀어나오는 각도가 일치하면 같은 성분인 셈이다.

민군 합조단의 분석 결과에 따르면 천안함 선체와 어뢰에서 각각 발견된 흰 성분은 산화된 알루미늄인 것으로 나타났다. 수중폭발 직후 알루미늄 가루가 버블에 섞여 급격하게 뿜어져 나오면서 선체에 묻은 뒤 산화된 흔적일 가능성이 높다는 뜻이다.

이날 기자회견에서 민군 합조단 폭발유형분석분과의 이근득 박사는 “함수와 함미, 연돌과 증거물(어뢰 잔해)에서 나온 흡착물의 성분을 분석한 결과가 정확히 일치했다”고 말했다. 또 “백령도 해상에서 쌍끌이 어선을 통해 수거한 알루미늄 합금 금속 파편 일부가 7년 전 수거한 북한의 훈련용 어뢰 재질과 같다”고 밝혔다.

피로파괴 일축했지만 설명 미흡

정부는 일부에서 제기되는 의혹을 무마하기 위해 가급적 많은 과학적 근거를 내놓으려고 상당히 노력한 듯 보인다. 군내 전문가 22명 외에도 국내 10개 전문기관의 전문가 25명과 국회 추천 전문위원 3명, 미국과 영국, 캐나다, 스웨덴 전문가 24명을 조사에 참여시켰다. 그 덕분에 천안함이 침몰한 직후 제기된 사고 원인에 대한 억측과 루머 중 상당 부분은 해소됐다.

예를 들어 선체 절단면이 위쪽을 향해 있고 전선이 불탄 흔적이 없다는 사실은 내부 폭발이 일어나지 않았다는 증거다. 노후한 선체가 지속적으로 일정한 힘을 받다가 어느 순간 선체 재질의 공명주파수와 외부 주파수가 일치하면서 순간적으로 큰 힘이 발생해 배가 부러지는 ‘피로파괴설’도 설 자리를 잃었다. 또 원래 설계에는 없었던 미사일이 탑재되면서 자체 하중을 견디지 못해 ‘전단 파괴’가 일어났다는 설도 ‘근거 없음’으로 판명 났다. 두 현상 모두 선체의 용접 부분을 따라 일어나기 때문에 절단면이 깨끗하다.

하지만 인양된 천안함 함수와 함미의 절단면은 지저분했다. 윤 단장도 이날 “정밀 조사 결과 일부에서 지속적으로 제기해 온 좌초나 피로파괴, 충돌, 내부폭발과는 전혀 관련이 없음을 확인했다”고 강조했다. 하지만 일부에서 공개를 요구하는 열상감시장비(TOD)영상과 이번에 복원된 천안함 내 6개 폐쇄회로(CC)TV화면, 당시 해군전술지휘통제시스템(KNTDS) 자료를 공개하지 않더라도 100% 완벽한 물증을 확보하려면 해결해야 할 문제는 남는다.

예를 들어 인양된 어뢰가 실제 천안함 공격에 사용됐다는 점을 100% 확신시키려면 더 정밀한 근거가 필요하다. 윤 단장은 기자회견에서 “최근 개발된 어뢰들은 대부분 알루미늄 가루를 20~30%씩 쓴다”고 밝힌 바 있다. 수거한 어뢰 부품이 선체에 남은 흔적과 성분이 같고 천안함 선미가 인양된 곳에서 30m 떨어진 지점에서 발견됐다는 점에서 가장 유력한 물증이다. 그러나 이는 정황 증거라는 점에서 아직 한계가 있다. 게다가 육지에서 발생한 폭발은 현장에 물증이 고스란히 남지만 시시각각 조류가 달라지는 바다는 사정이 다르다. 수거한 어뢰 부품이 실제 공격에 사용된 어뢰에서 나왔다는 사실을 증명하려면 추가 분석이 필요할 것으로 보인다.

민군 합조단은 버블효과의 근거로 생존 장병에게 화상이나 열상 등이 발견되지 않았다는 점을 들었다. 불행 중 다행으로 구조된 생존 장병 가운데 외상 환자는 수술을 받은 2명을 포함해 6명에 불과했다. 선체에 설치된 미사일 발사관이 날아갈 정도였음에도 부상자가 적은 이유에 대해서도 짚고 넘어갈 필요가 있다. 천안함 침몰 원인이 북한 어뢰라는 ‘대세’에는 지장이 없다고 하지만 이번 발표는 성급하게 이뤄진 점이 없지 않다. 전체 침몰 상황을 분석한 시뮬레이션이 끝나지 않은 상황에서 충격으로 가스터빈실이 부서지는 일부 과정만 공개된 것이다.

스웨덴에서 특별 제작된 천안함의 프로펠러가 버블효과로 크게 손상된 데 반해 폭발 주범인 어뢰의 프로펠러는 녹만 슨 상태로 비교적 온전한 이유도 한 가지 궁금증으로 남는다.

어뢰 이외의 다른 가능성에 대한 조사도 필요해 보인다. 민군 합조단의 이번 조사 결과는 짧은 시간에 많은 비과학적 의혹을 해소했지만, 과학적 조사가 이뤄지기 전인 천안함 침몰 직후부터 제기된 어뢰공격설과 일치한다. 민군 합조단에 참여한 민간 전문가가 기자회견에서 밝혔듯이 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램에 넣은 ‘수심 6~13m, 폭발물 45~420kg’이라는 조건은 어뢰가 폭발한 상황만을 염두에 두고 있다. 아직까지 한 번도 경험해보지 못한 미증유의 사고인 만큼 시간을 갖고 다른 원인과 가능성을 열어둘 필요는 있다.

선미에서만 주로 희생자가 나온 이유도 과학자들이 풀어야 할 숙제다. 천안함 희생자 46명 중 상당수가 선미 쪽에서 나왔다. 반면 선수 쪽에 있던 장병들은 대부분 구조됐다. 선미 쪽이 더 빨리 침몰했다는 점만을 원인이라고 하기엔 생존율이 너무나 극명하게 대비된다.

2006년 국방대학교에서는 초계함에 관한 흥미로운 논문 하나가 발표됐다. 이 논문은 천안함과 동일한 1200t급 초계함에서 화재가 발생했을 때 장병들의 생존율을 추정하는 방법을 담고 있다. 논문에 따르면 화재 발생 위치와 복도 구조, 탈출 경로에 따라 생존율은 달라지는 것으로 나타났다. 비록 이번 사태가 화재 상황은 아니지만 과학적 연구가 더 이뤄졌다면 목숨을 건진 장병이 한 명이라도 더 나올 수 있었다는 아쉬움이 남는다.
 

“생존 장병 6개월간 정신과 치료 필요”

천안함 생존 장병 58명 가운데 19명이 입원 치료가 필요한 스트레스성 장애를 겪고 있는 것으로 나타났다. 나머지 생존 장병 39명도 적게는 3~6개월 간 꾸준한 심리상담이 필요한 상태인 것으로 조사됐다. 5월 7일 서울 여의도 국회 의원회관에서 미래희망연대 김정 의원 주최로 열린 ‘전장스트레스 실태와 관리방안’ 세미나에서 계요병원 정신과 박주언 과장은 “군의관 5명과 대한불안의학회 소속 전문가 3명이 천안함 생존 장병 58명을 대상으로 사건 충격 척도와 스트레스 반응, 수면척도, 죄책감과 수치감 척도 등 심리검사와 면담을 진행한 결과”라고 밝혔다.

사고 발생 1주일 뒤 진행된 이 조사에서 생존 장병 중 6명은 급성스트레스성 장애를 겪고 있는 환자군으로 분류됐으며, 13명은 고위험군, 16명은 중위험군, 23명은 저위험군인 것으로 분석됐다. 환자군과 고위험군에 속하면 입원 치료를 받아야 하며 필요한 경우 약물 치료와 인지행동치료, 심리적 외상치료에 사용되는 안구운동요법(EMDR)도 함께 받아야 한다.

글 박근태 기자 kunta@donga.com