연구팀은 지난 9일 충남 당진 채석장에서 작은 힘으로도 공진에 의해 선박을 침몰시킬 수 있는 휘핑(whipping) 현상을 재현하는 실험과 물속에서 순식간에 발생하는 버블제트(Bubble Jet)에 인해 배가 파손되는 실험을 수행했다.
연구팀은 크기 8.4m(세로) X 0.68m(가로) x 0.41m(깊이), 무게 350kg의 알루미늄 재질 모형 선박을 제조하고 가속도, 속도, 압력, 변형 측정 센서를 부착했다. 실험은 모형선을 물에 띄운 상태에서 폭약의 양과, 폭약과 배와의 거리를 바꿔가며 수중에서 폭약을 폭발시켜 각 센서의 응답데이터를 기록했다.
휘핑 실험결과 선박 바로 밑 물속 3m에 위치한 0.2kg의 약한 폭약에도 모형선박이 위태로울 정도로 크게 요동쳤다. 배의 고유진동수(약 7Hz)와 가스버블의 주기가 유사하기 때문에 발생한 결과다.
공진현상으로 잘 알려진 이 현상은 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상이다.
연구팀은 버블제트에 의한 배의 손상을 극대화하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 거쳐 물속 1.5m에 1kg의 폭약을 설치했다. 폭약이 터지자 순식간에 약 30m의 물기둥이 솟구치면서 선박을 타격해 형체를 알아볼 수 없을 만큼 산산조각 났다.
버블제트는 물속에서 폭약이 폭발할 때 가스 버블에 의한 엄청난 압력의 팽창과 수축이 반복되면서 수면 위로 순식간에 물기둥이 솟구치는 현상이다.
신영식 교수는 “미국 등 선진국에서는 함정의 내충격성 강화 및 생존성을 높이기 위해 선박과 잠수함 등의 설계 시 수중폭발 실험을 반드시 수행한다”며 “각국에서는 실험결과를 보안자료로 관리하기 때문에 다른 나라에 공개하지 않아 독자적으로 실험을 수행해야한다”고 이번 실험의 중요성을 밝혔다.
이번 연구를 주도한 수중충격분야 세계적 석학인 신영식 교수는 미국해군대학원에서 약 30년 동안 교수로 재직하면서 수중폭발, 탑재 전자장비의 충격 내구성 검증, 충격 및 진동문제해결 등의 분야에서 탁월한 성과를 인정받아 2005년 최고 영예직인 특훈교수로 임명되기도 했다.
