비접촉 수중 폭발 시, 승조원들에게 이비인후과 손상을 줄 수 있는가?

안녕하십니까? 오늘은 비접촉 수중폭발 시 그 폭압이 승조원들에게 이비인후과적 피해를 줄 수 있냐를 이야기하려고 합니다.

먼저 비접촉 수중폭발의 매커니즘부터 알아보시죠.

출처: https://youtu.be/OWIqhSOrNcM

불과 4분이면 완벽하게 버블제트에 대해서 이해하실 수 있습니다. 이러한 버블제트 기술은 언제 나왔을까요? 버블제트 자체는 기뢰와 어뢰라는 것을 사용했던 19세기부터 존재했을까요? 접폭 수중 폭발이라고 해도 버블젯은 만들었을테니까요. 하지만 이미 인간의 등장 이전부터 버블젯은 살상에 이용됐습니다.

출처: https://youtu.be/NdUPwOmCplI

딱총새우가 그 주인공이죠. 그리고 잠수함이 등장한 후 폭뢰를 떨구면서 폭뢰는 인간이 인위적으로 만든 버블젯을 구현합니다. 제1차 세계대전 말 영국 해군이 독일 해군은 유보트를 막기 위해서 자기신관기뢰를 배치하기 시작됐습니다. 1930년대에는 음향신관기뢰까지 나옵니다. 그리고, 1943년 나치 독일은 G7e/T4 Flake를 배치하면서 최초의 음향유도어뢰를 배치합니다. 물론, 당시 기술로는 문제가 많았고 명중률도 30%에 불과했습니다. 하지만 연합군은 음향유도어뢰기만기를 개발할 정도로 신경을 썼습니다.

비접촉 수중폭발은 선저를 들었다가 놓았다가 다시 들어올린 후 버블젯으로 타격하여 두동강을 내기 때문에 승조원들은 교통사고가 난 것처럼 골절, 열창, 열상, 좌상, 염좌 등의 부상을 당합니다. 하지만 전사를 봐도 버블젯 어뢰가 이비인후과적 손상을 안겨준 사례는 찾기 힘듭니다.

그러나, 군필자가 절반 쯤인 나라에서 일생에서 한번 교장 호수에 던져본 수류탄 경험 한번으로 "어뢰가 터졌는데 고막 터진 사람이 없냐는 게 말이 되냐"는 분이 계시죠. 저는 이를 경험에 호소하는 논리적 오류라고 새로히 명명할까 생각 중입니다. 이 생각은 뒤로 미뤄두고 승조원들에게 전달된 압력, 제가 계산해봤습니다. 

먼저 해당 연구 자료를 찾았습니다. 먼저 찾은 자료는 제주대학교에서 1994년에 연구한 海中 TNT爆發音에 있어서 爆藥重量에 따른 爆發音의 騷音準位와 자주복(Takifugu rubripes) 치어의 반응입니다. 해당 연구를 통해 산출 해낸 TNT의 폭압을 구하는 식은 4.007*10,000* TNT폭약무게의 1.46승 / r(폭심지로부터 거리)였습니다. 이 값을 토대로 수심 9m, TNT 250kg급 폭발이 발생했을 때 파스칼을 구하고 psi(제곱인치당 파운드 압력)로 환산하니, 2,415 psi가 나왔습니다. 

이제 음압이 물 밖으로 이동할 시간입니다. 물질의 물성치 중 하나가 특성 음향 임피던스입니다. 소리가 통과할 매질의 밀도와 그 매질에서 음속을 곱해주면 나오는 값입니다. 그 음향 임피던스를 투과율 공식에 대입해주면 값을 구할 수 있습니다. http://foxface.com/jaico/ut/UT/html/UT_024.htm

온도에 따라 특성 음향 임피던스 값은 조금씩 달라지만 공기는 415rayl, 해수는 1,540,000rayl입니다. 이걸 링크에 나온 투과율 T 공식에 넣어주면, 수중의 음압이 밖으로 나왔을 땐 불과 1.3psi에 불과합니다.

허나, 해당 연구는 실험한 폭약 무게가 30kg과 50kg, 거리는 60m와 100m, 250m로 그 값이 매우 적습니다. 그래서, 미군에서 나온 자료를 사용했습니다. 이건 데이터가 다양하더군요.

《Calculating the Effect of Surface or Underwater Explosions on Submerged Equipment and Structures》

수중폭발시 특정 거리 r에서 폭약의 최대 폭압을 계산하는 산식이 있습니다. 폭압이 곧 음압은 아니지만 혹자들이 제기하는 의혹은 그 폭압에 코피, 고막 손상 등 이비인후과적 질환이 없냐는 것이니 이 자료를 사용하여 값을 뽑아냈습니다. 아래 사진으로 정리했습니다.

출처: 본인

엑셀은 참 편합니다. 저 같은 수학 고자도 이렇게 값만 넣어서 계산할 수 있게 해줍니다. 결론은 수중에서 그 큰 저항을 이겨내고 수면에서 막 투과해서 나온 압력조차 2.73 psi입니다. 고막 등에 손상을 입히기에는 부족한 위력입니다. 게다가 이 압력은 견시데크까지 20m를 가면서 감쇠됩니다. 선체로 들어간 음압은 해수->선체->선체 내 공기 등 2중으로 매질 변화를 겪으면서 훨씬 감쇠되죠. 거기에 에너지보존의 법칙에 따라 선체를 쪼개는데 들어간 힘, 해저로 쳐박힌 힘까지 빼야합니다.

과거 전사에서 어뢰가 터져도 이비인후과 증상이 없거나 적은 이유가 여기에 있었습니다.

레퍼런스

[1] 《Calculating the Effect of Surface or Underwater Explosions on
Submerged Equipment and Structures》2Page
Link:  https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download%3Fdoi%3D10.1.1.129.8805%26rep%3Drep1%26type%3Dpdf&ved=2ahUKEwif28TC2pXiAhXCxosBHTdICCUQFjABegQICBAC&usg=AOvVaw2zbDVe6tkzc5UpDXqOSVy4 

[2]  http://foxface.com/jaico/ut/UT/html/UT_024.htm

[3] 매질의 밀도 * 매질에서의 음속의 값으로 물질의 고유 물성

[4] 귀에 대한 폭발 손상(Blast Injury to the Ear) 저널

"폭발로 인한 고압력(overpressure)은 고막을 내측으로 전위시키며 그 압력이 클 경우에 천공을 유발하게 된다. 5 psi의 압력 이상에서 고막 손상이 나타나며 15 psi의 압력에서는 약 50%의 손상을 일으킬 수 있다."

link: http://www.kjorl.org/journal/view.php?number=556 

[5] 《Relation between Explosion Sound Level and the Amount of the TNT Explosive and Responses of the Young Puffer, Takifugu rubripes, against the Explosion Sound Under the Water》1page
link: http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=1a0202e37d52c72d&control_no=05d2c2835d050d91#redirect