서론

기술협력생산

대한민국 해군은 고속정, 구축함, 초계함, 유도탄고속함 등 다양한 함정을 활용하여 해상통제, 해군력 시현, 전략적 억제 등의 임무를 수행하고 있다[1]. 해군 함정 중 유도탄고속함은 노후화된 기존 고속정을 대체하기 위해 생존성과 화력을 증대하여 2008년 1번 함이 취역하였다. 유도탄고속함은 만재배수량이 570톤급이며, 최고속도는 40노트(74km/h)이다. 탑재 무장은 76mm, 40mm 함포가 있으며 한국형 함대 미사일 해성을 탑재하고 있다[2]. 해군 함정은 작전 운용개념에 따라 각 함대가 수행하는 임무가 다르다. 구축함 이상의 경우 원거리 해상교통로를 보호하며 전략기동작전을 수행한다. 구축함 이상의 함이 작전을 수행하는 동안 유도탄고속함은 연안 및 항만 방어 임무를 수행한다[3].

유도탄고속함의 작전 운용개념에 따른 역할을 고려할 때 고속함 운용이 불가할 경우 작전 운용의 공백이 발생하여 평시 정비와 비상시 대응의 중요성은 매우 크다고 할 수 있다. 2022년 10월 유도탄고속함 사격훈련 간 함포 내 탄 폭발사례가 발생하여 고속함 운용이 중지된 사건이 발생하였다. 장전 후 사격 간 폭발로 인명피해는 없었으나 그 위험도 및 작전 운용에 지장을 미치는 점을 고려하였을 때 해당 폭발 사건은 원인분석이 필요할 것으로 판단하였다. 본 기고에서는 함포 내 탄 폭발 사건 현장을 관찰한 결과와 사격 메커니즘 및 함포의 특성을 고려하여 함포 내에 탄 폭발을 일으킬 수 있는 원인 인자에 대해 분석한 결과를 정리하였다. 또한, 이번 원인분석의 한계와 앞으로 유사 사례 발생 시 국방기술품질원 화력 및 탄약 분야의 대응 발전 방안에 대해 제시하였다.

현장확인 결과

함포 몸체

사격훈련 중 23발째 탄에서 약실 내 폭발 현상이 발생하였다. 현장확인 결과 사격 장면 녹화본에는 불완전 연소가스로 추정되는 연기가 함포 앞·뒤로 배출되는 장면을 확인하였다. 파손된 함포 몸체 점검 시 그림 1과 같이 약실 밀폐를 위한 폐쇄기 작동부가 파손되었으며, 탄 이송을 위한 장전기 조립체에서 불완전 연소된 추진제로 추정되는 오염물질을 확인하였다. 또한, 탄저부의 변형을 확인하였으며, 탄저부 변형은 폐쇄기 일부와 대조하였을 때 일치되는 것을 확인하였다. 탄저부와 함께 발견된 뇌관에서는 공이 타격의 흔적을 확인할 수 없었다.

함포 포열

파손된 함포의 포열 점검 시 그림 2와 같이 약실에 탄피가 고착된 형상을 확인할 수 있었다. 약실 시작부의 고착된 탄피와 탄저부를 대조하였을 때 파손 형상이 일치하였다. 정상 사격의 경우 탄은 약실 끝까지 전진하여 공이가 뇌관을 타격하면 추진제가 폭발하고, 탄피는 순간적으로 팽창 및 수축하여 정상 배출된다. 하지만 파손 장비 포열에 고착된 탄피의 특이사항은 그림 2와 같이 탄피가 약실 끝단에서 떨어진 상태에서 고착되었다는 점이다. 이는 탄피가 파손된 시점에 약실에 불완전 장입된 것이다. 다만, 초기에 탄 장입 시 불완전 장입된 것인지 폭발 충격으로 탄 정렬이 틀어진 것인지는 알 수 없었다.

원인분석 결과

현상 분석

현장확인 결과에서 주목할만한 특이점은 현장에서 발견된 뇌관에 공이 타격 흔적이 없다는 점과 장전기 조립체의 오염 상태이다. 정상 사격의 경우 탄이 약실에 장전되어 폐쇄기가 상승하고, 두격 형성 후 공이가 뇌관을 타격한다. 뇌관이 추진제를 연소시키며 폭발력이 발생하고, 그 힘으로 탄두를 밀어낸다. 따라서 뇌관에 공이 타격 흔적이 없다는 점은 그림 3과 같이 폐쇄기가 상승하기 전 다른 원인으로 추진제가 폭발한 것을 의미한다. 이를 뒷받침 해주는 근거가 장전기 조립체의 오염 상태이다. 폐쇄기가 정상 상승할 때 약실은 밀폐되며 장전기 조립체와 약실이 분리되는 구조이다. 하지만 해당 함포의 장전기 조립체는 그림 1과 같이 불완전 연소된 추진제로 추정되는 이물질을 확인할 수 있다. 이는 폐쇄기가 상승하여 약실의 밀폐를 이루기 전 제3의 원인에 의해 추진제가 폭발하였으며, 약실이 밀폐되지 않았으므로 불완전 연소된 추진제의 잔여물과 가스가 장전기 조립체로 이동할 수 있었음을 의미한다. 따라서 사격 영상에서 불완전 연소 가스가 앞·뒤로 분사된 점, 뇌관에 공이 타격 흔적이 없는 점, 장전기 조립체의 오염 상태로 보아 탄의 추진제는 폐쇄기 상승 중 폭발하여 폐쇄기는 뇌관을 타격할 수 없는 상태였을 것으로 추정된다. 또한, 폐쇄기 상승 중 폭발로 폐쇄기가 그림 3과 같이 아래쪽으로 폭발 압력을 받아 작동부가 파손되었으며, 그림 1과 같이 탄저부와 폐쇄기 대조 시 형상이 일치하는 것으로 판단하였다.

사격 주요부품 상태 확인

사격 메커니즘 중 송탄, 장전, 격발과 관련된 부품의 상태를 표 1과 같이 확인한 결과 관련 부품들은 재질, 열처리 등 치수 외 규격조건을 만족하였다. 관련 부품의 치수는 폭발의 여파로 부품이 변형되어 치수 측정이 불가하였다. 하지만 약실, 두격 불량 등 포의 치수적인 문제가 있었다면 사격 초반에 이상 현상이 발생할 확률이 높다. 그 이유는 함포가 기계적으로 반복 작동하여 송탄, 장전, 격발되기 때문이다. 해당 함포는 23발째 사격 중 약실 내에서 탄이 폭발하여 치수적인 문제는 배제하였다.

그림 4는 폐쇄기를 상승·하강시켜 주는 크랭크 내부용(작동부)의 파단면이다. 크랭크 내부용 파단면의 특징은 균열 시작부가 명확한 취성파괴의 형태를 보이는 점이다. 폐쇄기 상승·하강을 위해 크랭크 내부용과 폐쇄기가 접촉하는데 이 지점을 시작으로 균열이 상당한 속도로 전파하여 불안정 파괴를 일으킨 것으로 판단하였다. 따라서 폐쇄기는 완전 밀폐 전 폭발 압력으로 추정되는 큰 압력을 받았으며 폐쇄기를 지지하는 크랭크 내부용을 파손시키며 아래쪽으로 이동한 것으로 보인다.

탄이 받는 충격 경로 확인

위의 폭발 현상 분석 및 사격 주요부품 분석결과 약실 밀폐 전 원인 미상의 폭발 압력에 의해 주요부품의 파손 및 변형을 확인하였으므로 원인 미상의 폭발 압력이 함포에 기인한 것인지 규명해야 할 것이다. 원인 미상의 폭발 압력이 함포에 의해 발생하는 경우는 송탄, 장전, 격발과정에서 함포의 하위 구성품이 탄에 충격을 주는 경우이다. 탄이 약실까지 이동할 때 함포 구성품이 물리적 충격을 주는 형태로 탄이 이동한다. 이러한 사격 메커니즘을 고려하였을 때 탄의 이동 경로에서 함포 내부 기구와 탄이 접촉 및 물리적 충격이 발생하는 시점은 그림 5와 같이 장전, 송탄, 폐쇄기 상승 시점이다.

탄이 받는 최대충격력 비교

장전, 송탄, 폐쇄기 상승 시점에서 탄이 함포 하위부품에 의해 받는 충격의 크기를 비교하여 가장 큰 충격을 받는 과정을 선별하고 해당 충격력이 탄 폭발을 일으킬 수 있는지 분석하는 것이 중요할 것이다. 탄이 받는 충격력을 구조 해석한 결과 폐쇄기 상승 시점에서 약 28 kN, 송탄 시점에서 약 7 kN, 장전 시점에서 약 6 kN 충격력이 발생하는 것으로 파악하였다. 최대충격력 발생 시점인 폐쇄기 상승 시점을 기준으로 기폭 가능성을 확인하였으나 폐쇄기 충격량의 2.4배까지 충격을 가했음에도 기폭 및 폭발 현상이 발생하지 않았다.

결론 및 고찰

현장확인 및 원인분석 결과 사격 영상과 탄 추진제 흔적 등을 보아 폐쇄기 완전 밀폐 전 탄이 폭발하였고, 현장에서 발견된 뇌관에 공이 타격 흔적이 없어 함포 외의 원인으로 탄이 폭발하였을 가능성이 클 것으로 판단하였다. 이를 입증하기 위해 함포 주요부품의 규격충족 여부, 탄이 받는 최대충격력을 비교하였다. 그 결과 함포의 주요부품이 치수 외 규격을 충족하였으며, 탄이 받을 수 있는 최대충격력 역시 탄을 폭발시킬 수 없는 수준임을 확인하여 함포에 의해 탄이 폭발할 가능성은 적을 것으로 판단하였다.

이번 폭발사례 원인분석 과정의 한계는 폭발 시점에 탄의 위치나 상태에 대한 분석이 미흡하였다는 점이다. 그림 1의 탄저부 형상, 그림 2의 포열에 남은 탄피의 흔적, 탄의 특성 등을 분석하여 탄이 폭발하는 시점에서 탄의 위치나 상태를 알 수 있었다면 폭발사례의 정확한 원인을 추정할 수 있었을 것으로 판단된다. 하지만 탄과 함포가 폭발로 훼손된 점, 개발 후 오랜 시간이 지남에 따라 탄과 함포의 개발자료 확인이 제한된 점 등의 사유로 정확한 폭발 원인을 특정할 수 없어 이번 함포 폭발사례의 원인분석에서는 함포 내에 탄 폭발 원인이 존재하는가에 집중하였다.

사격 간 발생하는 문제는 탄과 포에서 개별적인 문제로 발생하는 것이 일반적이지만 탄과 포의 복합문제로 문제가 발생할 가능성이 있다. 현재, 국방기술품질원은 탄약오작용 처리절차에 따라 화력과 탄약 담당 부서에서 조사에 참석하여 분석하고 있으나 조금 더 복합적으로 사례를 분석하는 프로세스가 있다면 효과적인 원인분석이 가능할 것이다.