서론

국방부 훈령¹⁾에 의거하여 국방기술품질원은 무기체계의 저장탄약신뢰성평가(ASRP : Ammunition Stockpile Reliability Program)를 주도적으로 수행하고 있다. 60MM, 155MM 고폭탄 등 박격포탄 및 곡사포탄과 MLRS, 홍상어 추진기관 등 다양한 품목을 국방기술품질원 국방종합시험센터에서 ASRP를 통해 성능을 평가하고 있다. ASRP 시험평가는 비기능, 기능 및 저장분석시험으로 구성되며 기능시험 단계에서 대상 탄약의 성능과 신뢰성을 확인하기 위해 사격 또는 작동시험을 수행한다. 이때, 기능시험은 폭발물인 탄약을 활성화시키는 매우 위험한 작업으로 취급 간 비정상 폭발(예를 들면, 우발 점화 또는 조기 폭발 등) 발생 시 주위의 시험인원 및 시험장비/시설에 지대한 영향을 미칠 수 있다.

이처럼 폭발물로 구성된 탄약을 취급하는 작업은 위험성이 높으며, 고폭탄의 사격시험 중 폭발사고로 인하여 인명피해가 발생하는 등 실제로 안전 사고가 지속적으로 발생하고 있는 상황이다. 안전 사고를 예방하기 위해서는 사전에 위험성을 추정하는 것이 중요하다. 위험성의 추정은 사고의 가능성과 중대성으로 파악할 수 있으며 사고의 가능성은 발생 빈도, 중대성은 피해의 크기를 의미한다. 또한, 최근 위험성을 파악하는 것은 제도적으로도 관심받고 있다. 2022년부터 중대재해를 감소시키기 위해 고용노동부는 위험성평가가 중요하다고 보고하였으며²⁾, 2023년 위험성평가를 보다 간편하게 수행하도록 지침을 개정하였다³⁾. 따라서, 국방기술품질원에서 수행하는 ASRP 시험평가를 안전하게 수행하기 위해서는 사전에 실시하는 위험성 평가(Risk Assessment)가 필수적이다. 본 기고문에서는 고폭탄 사격시험 중 비정상 폭발할 경우에 대한 위험성을 파악하고자 한다.

고폭탄 폭발에 의한 영향

국방종합시험센터에서 수행하는 ASRP 대상 품목 중 고폭탄류(High explosives)가 폭약량이 많으며 폭굉(Detonation)의 성질을 가지고 있는 위험급수 1.1급으로 가장 위험하다. 고폭탄이 폭발하면 뜨거운 가스를 발생시키고 이 가스는 주변의 공기를 압축함과 동시에 압축된 폭풍파(Blast wave)를 형성시킨다. 폭풍파는 높은 압력의 충격파(Shock wave)와 높은 속도의 바람으로 구성된다. 이러한 폭발 현상은 그림 1과 같이 주위의 압력을 급격하게 상승시키기 때문에 시험인원과 시험장비/시설이 가까운 거리에 있을 경우 심각한 영향을 받을 수 있다. 폭발로 인한 압력은 급격하게 상승하며 시간이 지날수록 감소하고 대기압 수준으로 회복한다. 이때, 시간에 따른 압력 변화의 적분 값을 충격량(Impulse)이라 한다.

따라서, 고폭탄의 ASRP를 위한 취급 및 사격시험 간 비정상 폭발할 경우 그림 2와 같이 주위에 위치한 시험인원 및 시험장비/시설이 폭풍파에 영향을 받아 안전 사고가 발생할 수 있다. 폭풍파에 의한 급격한 압력 상승으로 시험인원 고막의 파열, 폐 손상과 순간적인 충격파에 의해 시험인원 머리 충격 및 넘어져 사망할 수 있다. 또한, 고폭탄이 기폭되면서 생성된 파편들이 폭풍파에 의해 멀리 날아가 시험인원이 관통될 수 있다. 한편, 이러한 폭풍파는 시설물의 유리창 파손, 붕괴 등 시험장비/시설에 심각한 손상을 유발할 수 있다. 이처럼 고폭탄의 비정상 폭발은 인명 및 재산피해를 발생시킬 수 있어 사전에 위험성을 파악하는 것은 구체적으로 수행되어야 하며 중요한 과제이다.

고폭탄의 비정상 폭발이 사람 및 시설물에 미치는 영향에 대한 연구는 일부 수행되었다[2, 3]. Hwang과 Jeon[2]은 155MM 고폭탄 1발이 조기 폭발할 경우에 대한 위험성을 파악하기 위해 폭풍파가 주위에 위치한 시험인원 및 구조물에 미치는 영향에 대해 연구하였다.

폭발과압(Overpressure) 및 충격량과 같은 폭발 특성을 예측하기 위해 기존에 제시된 다양한 상관식을 이용하여 예측 및 분석하였다. 이러한 폭발 특성이 주위에 위치한 시험인원 및 구조물에 미치는 영향을 확률론적으로 평가하기 위해 프로빗 분석을 적용하였다. Hwang과 Jeon[2]의 연구 결과로, 그림 3과 4에 나타낸 것과 같이 구형(폭발 지점이 지면과 먼 경우) 및 반구형(폭발 지점이 지면과 가까운 경우) 폭발 조건에서 폭원과 가까울수록 폭발과압과 충격량이 크게 나타난다고 보고하였다. 이는 고폭탄이 폭발할 때 가까울수록 더 강한 폭풍파에 노출됨을 의미한다. 또한, 폭원과 가까울수록 기존 상관식을 통해 예측된 폭발 특성 간 차이가 큰 것으로 보고하였다. 한편, Hwang과 Jeon[2]은 그림 5과 6에 나타낸 것과 같이 프로빗 분석을 통해 폭풍파가 주위에 위치한 시험인원과 구조물에 미치는 영향을 확률적으로 도출하여 폭원으로부터 5 m 위치까지 제시하였다. 폭풍파에 의해 시험인원의 폐가 손상되어 사망할 확률은 5 m 위치까지 0%이며, 2 m 이내로 시험인원이 위치할 경우 머리 충격 및 전신 전위 충격으로 사망할 가능성이 존재하는 것으로 보고하였다. 또한, 폭풍파에 의한 시험인원의 고막이 파열될 확률은 3 m 위치까지 99% 이상인 것으로 보고하였다. 한편, 폭풍파에 의해 구조물의 유리창이 파손될 확률은 5 m 위치까지 100%이고 가벼운 손상, 심각한 손상, 구조물의 붕괴 순으로 손상 가능성이 높다고 보고하였다.

Hwang과 Jeon[2]의 시험 결과를 토대로 판단할 때, 155MM 고폭탄 1발이라도 비정상 폭발할 경우 시험인원이 폭원과 근접할 때 사망 또는 고막이 파열될 수 있다. 인접한 구조물 또한 유리창이 파손되고 심각한 손상을 받아 붕괴까지 발생할 수 있기 때문에 폭발 사고 발생 시 위험성은 매우 높은 것으로 예상된다.

또한, Hwang 등[3]은 155MM 고폭탄이 비정상 폭발할 때 발생하는 파편(Fragment)이 주위 시험인원에게 미치는 영향에 대해 연구하였다. 폭발로 인해 발생하는 파편은 폭풍파에 의해 멀리 비산되기 때문에 시험인원과 충돌 또는 관통될 수 있다. 따라서, Hwang 등[3]은 파편의 개수 및 질량을 변수로 가지는 파편의 밀도를 이용하여 고폭탄의 파편이 사람과 충돌할 확률을 계산하고, 파편의 개수를 이용하여 파편에 의한 치사율을 계산 및 분석하였다. Hwang 등[3]의 연구 결과로, 그림 7에 나타낸 것과 같이 파편이 사람과 충돌할 확률 및 치사율은 폭원으로부터 멀어질수록 감소한다고 보고하였다. 이때, 파편과 사람이 충돌할 확률은 폭원으로부터 6 m 지점까지 100%이며, 치사율은 21 m 지점까지 100%라고 제시하였다. 또한, 폭풍파에 의한 입사 압력과 충격량이 사람에게 미치는 영향(예를 들면, 폐 손상으로 인한 사망, 고막 파열, 머리 충격 및 전신 전위 충격으로 인한 사망) 중 고막 파열이 가장 먼 거리까지 영향이 나타난다고 보고하였다. 이러한 고막 파열의 경우와 파편이 사람과 충돌할 확률 및 치사율을 비교하였을 때, 파편의 영향 보다 고막이 파열될 영향의 거리가 상대적으로 짧게 나타났다. 즉, 입사압력과 충격량이 미치는 영향의 범위에 비해 파편이 미치는 영향의 범위가 비교적 더 넓은 것으로 확인된다.

결론

이처럼 고폭탄 ASRP를 위한 사격시험의 위험성은 매우 높기 때문에 사전에 이를 인지하는 것은 안전 사고를 예방하기 위한 기초이다. 특히 ASRP는 장기 저장된 탄약의 성능을 평가하기 때문에 취급 중 탄약이 비정상적으로 작동할 수 있어 주의하여야 한다. 본 기고문에서는 고폭탄이 비정상 폭발할 경우 주위에 위치한 사람 또는 시험장비/시설이 강한 폭풍파에 노출되어 심각한 안전 사고가 발생할 수 있음을 확인하였다. 한편, 고폭탄의 폭발로 인한 폭발압력, 충격량 및 파편뿐만 아니라 지반 충격(Ground shock) 등 다양한 폭발의 영향이 존재하기 때문에 폭발과 주위에 위치한 사람 또는 시험장비/시설 간 상관관계에 대한 연구가 필요하며 이는 안전 사고를 예방하는데 활용될 것으로 판단된다.