챌린저호 사고(1986년): 저온에서 O링의 탄성 회복이 늦어지다

1986년 1월 28일, 우주왕복선 챌린저호는 발사 약 73초 후에 분해되어 승무원 7명 전원이 사망했습니다. 대통령 위원회는 오른쪽 고체 로켓 부스터 이음부의 압력 실이 파손된 것이 원인이라고 했습니다. 발사 당일 아침은 그때까지 가장 추웠으며, 고무 O링은 차가워져 원래 형태로 돌아오는 것이 느려져 있었습니다.

무슨 일이 있었나

일시

1986년 1월 28일 오전 11시 38분(미국 동부 표준시)

기체

우주왕복선 챌린저호(미션 51-L)

피해

발사 약 73초 후 고도 약 46,000 ft(약 14 km)에서 기체가 분해되어 승무원 7명 전원 사망

기온

발사 시 36°F(약 2℃). 그때까지 가장 추웠던 발사보다 15°F 낮음

이음부

오른쪽 고체 로켓 부스터 후부의 현장 이음. 이음부 300° 위치에서 28±5°F(약 −2℃)로 추정

조사

우주왕복선 챌린저호 사고에 관한 대통령 위원회 보고서(1986년)

사고 경과와 조사 결론

발사 0.678초 후에는 이미 오른쪽 고체 로켓 부스터 후부 이음부 부근에서 짙은 회색 연기가 나오고 있었고, 그 뒤의 연기는 점점 검어졌습니다. 58.788초에 같은 부스터에 불꽃의 흔들림이 나타났고, 59.262초에는 연속된 불꽃이 되었습니다. 73.124초에 외부 탱크 아랫부분에 흰 증기의 고리가 나타났는데, 이것이 수소 탱크 구조 파괴의 시작으로 여겨집니다. 약 73초에 기체의 분해가 시작되었습니다.

위원회는 사고의 원인이 오른쪽 고체 로켓 모터 후부 현장 이음의 압력 실 파손이며, 그 파손은 온도·치수·재료·재사용의 영향·처리·동적 하중에 대한 반응 등 많은 요인에 허용할 수 없을 만큼 민감한, 결함이 있는 설계에 의한 것이라고 결론지었습니다.

재료 측면에서 본 원인의 연쇄

부스터의 이음부는 단면 지름 0.280인치(약 7.1 mm)의 고무 O링 2개로 막혀 있었습니다. 실의 주된 원리는 연소 가스의 압력이 O링의 상류 쪽에서 밀어붙이는 것입니다. 이음부의 퍼티는 연소 가스가 O링에 직접 닿지 않게 하는 단열용이며, 압력 실로서의 기능은 편차가 크다고 알려져 있습니다.

점화 직후에는 이음부의 틈이 열리며(조인트 회전), 동적인 효과로 그 벌어짐은 커집니다. 위원회는 O링의 탄성이 온도와 직접 관계되며, 압축된 O링은 따뜻할 때가 차가울 때보다 훨씬 빨리 원래 형태로 돌아온다는 것, 추운 발사 온도에서는 O링이 둥근 형태로 돌아오는 것이 매우 느려 틈의 벌어짐을 따라가지 못했다고 생각된다는 것을 인정했습니다. 퍼티의 온도나 습도 등으로 O링에 압력이 걸리는 것이 늦어진 것도 최초 이음부 파손의 요인이 될 수 있었다고 했습니다. 이음부 틈의 물이 얼어 보조 O링의 작동을 방해했을 가능성도 들었습니다.

그때까지의 비행 기록에서 61°F 이상의 발사에서 O링에 열에 의한 손상이 보인 것은 4회뿐이었지만, 61°F 미만의 발사에서는 매번 하나 이상의 O링에 열에 의한 손상이 있었습니다.

원인에 대한 견해: 대학 교재 중에는 발사 당일의 온도가 고무의 유리 전이 온도를 밑돌아 O링이 취약해졌다고 설명하는 것(미시간 대학교)도 있습니다. 대통령 위원회 보고서는 O링의 탄성 회복이 온도와 함께 느려져 틈의 벌어짐을 따라가지 못했다고 생각된다고 기술합니다.

어떤 단서로 원인을 알았나

• 발사 기온은 그때까지 가장 낮았다 사용 온도: 저온(0℃ 부근보다 낮다)
• 실은 고무(엘라스토머) O링이었다 재료: 고무·엘라스토머(실·O링 등)
• 점화 순간에 이음부에 갑자기 압력이 걸려 틈이 열렸다 걸려 있던 하중: 충격이나 갑자기 큰 하중이 걸렸다
• O링의 탄성 회복이 저온에서 느려진다는 것은 시험으로 거듭 확인되어 있었다 재료: 고무·엘라스토머(실·O링 등)
• 61°F 미만의 발사에서는 매번 O링에 열에 의한 손상이 있었다 사용 온도: 저온(0℃ 부근보다 낮다)

이 사례의 단서로 진단 가이드 열기

이 단서로 진단 가이드를 열면 고분자의 저온 탄성 저하·취화가 최상위가 됩니다.

관련 파손 형태: 고분자의 저온 탄성 저하·취화

이후 바뀐 설계·규정·검사

• 위원회는 결함이 있는 고체 로켓 모터의 이음부와 실을 바꾸어야 한다고 권고했습니다. 이음부의 건전성은 치수 공차·조립·환경의 영향 등에 둔감해야 하며, 온도를 포함한 전체 사용 범위에서 발사 상태에 최대한 가까운 시험으로 인증할 것을 요구했습니다. 미국 국립연구회의에 설계를 독립적으로 감시하는 위원회를 둘 것도 요구했습니다.
• 발사 제약(launch constraint)을 부과하거나 해제하는 방침을 정할 것과, 기술 정보가 의사 결정에 충분히 전달되는 체계를 갖출 것도 권고되었습니다.
• 재설계한 이음부에는 금속끼리 맞물려 틈의 벌어짐을 억제하는 캡처 기구, 세 번째 O링, O링을 항상 압축하는 형상(압축된 O링이 홈의 90%를 넘게 채우지 않음), 조립 후 누설을 확인하는 검사구가 추가되었고, 내부 단열재의 이음매는 퍼티 대신 처짐을 흡수하는 플랩으로 막는 형태가 되었습니다.
• 현장 이음에는 방수 실과 일체인 외부 히터가 달려, 실의 온도를 75°F(약 24℃) 이상으로 유지하게 되었습니다.

배울 점

• 재료의 성질은 온도에 따라 크게 변합니다. 부품은 가장 가혹한 온도에서, 실제에 가까운 상태로 시험하여 확인합니다.
• 실은 정지 상태가 아니라 틈이 움직이는 실제 조건에서 기능할 수 있는지가 관건입니다.
• 저온 발사일수록 O링의 열에 의한 손상이 많다는 경향은 그때까지의 비행 기록에 나타나 있었습니다.
• 많은 조건에 민감한 설계는 어느 한 조건이 벗어나면 파손됩니다. 조건에 둔감한 설계를 지향합니다.
• 기술자가 가진 정보가 판단하는 입장의 사람에게 충분히, 때를 놓치지 않고 전달되는 체계가 필요합니다.