KAIST(총장 강성모) 해양시스템공학전공 신영식 교수는 지난 9일 충남 당진에 위치한 한 채석장에서 지난해에 이어 두 번째로 폭약의 수중폭발로 인한 충격이 선박에 미치는 영향에 대한 실험을 실시했다.

이날 연구팀은 작은 힘으로도 공진에 의해 선박을 침몰시킬 수 있는 휘핑(whipping) 현상을 재현하는 실험과 물속에서 순식간에 발생하는 버블제트(Bubble Jet)에 의해 배가 파손되는 실험을 수행했다.

연구팀은 크기 8.4m(세로) X 0.68m(가로) x 0.41m(깊이), 무게 350kg의 알루미늄 재질 모형 선박을 만들어 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.

1940년 미국 타코마 다리는 초속 53m의 강풍에도 견딜 수 있게 설계됐으나 바람과 다리가 부딪히며 생긴 와류의 진동과 다리의 고유진동이 일치하면서 초속 19m의 약한 바람에도 무너져버린 사건으로 공진현상이 유명해졌다.

배의 손상실험은 버블제트의 위력을 알아보기 위해 국내 최초로 실시됐다. 버블제트는 물속에서 폭약이 폭발할 때 가스 버블에 의한 엄청난 압력의 팽창과 수축이 반복되면서 수면 위로 순식간에 물기둥이 솟구치는 현상이다.

연구팀은 버블제트에 의한 배의 손상을 극대화하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 거쳐 물속 1.5m에 1kg의 폭약을 위치시켰다. 폭약이 터지자 순식간에 약 30m의 물기둥이 솟구치면서 선박을 타격해 형체를 알아볼 수 없을 만큼 산산조각 났다.

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.

현재 KAIST 해양시스템공학전공 초빙교수로 재직 중인 신 교수는 미국에서의 경험을 바탕으로 수중폭발이 선박이나 해양구조물에 비치는 영향 등 국내에서는 수행하기 어려운 연구를 수행하고 있다.