- 우주왕복선의 양 옆에 설치되어 주된 추력을 제공해 주는 고체로켓 부스터(SRB)의 동체는 여러 부분으로 나누어져 제작되었으며, 여기에 연료를 집어넣은 뒤 연결해 조립하는 방식으로 생산

SRB의 구조

고체연료가 채워진 SRB 동체를 서로 연결해 조립하는 모습

(우주왕복선의 마지막에서 두 번째 임무인 인데버호의 2011년 STS-134용 부스터 조립 장면)

- 연소중인 SRB 안에서는 고온, 고압의 가스가 생성되므로 조립식으로 제작되는 SRB에서는 부분 사이의 연결부가 밀려나오는 연소가스의 온도와 압력에 취약하게 되며, 이를 방지하기 위해 고무제 오링을 두르고 퍼티로 채워 연소가스가 틈새로 새어나가는 것을 방지

사고 발생 후 결성된 원인조사위원회 보고서에 기재된 당시 SRB의 연결부위 구조

(검은 점 두 개가 주, 보조 오링이고 ↘ 2줄 사선이 크롬산아연 내열 퍼티)

연결부의 오링 두 겹을 확대한 모습

- 이 오링은 파손될 경우 기능을 대체할 보조 부품이 없는 설계였으며, 이전까지의 발사에서도 연소가스 때문에 오링이 손상된 경우가 회수된 부스터들에서 여러 차례 발견되었으나 그때까지는 심한 경우일 지라도 주 오링이 완전히 손상되어도 보조 오링이 연소 종료까지 틈을 막았기 때문에 사고는 발생하지 않았고 우주왕복선을 담당하는 NASA의 마셜 우주비행센터와 SRB 제조사 티오콜의 기술진들은 일단 사용에는 문제가 없는 것으로 결론

- 한편 사고 직전 발사인 컬럼비아호의 STS-61-C는 마무리 공정 및 밸브 고장, 기상 악화 등으로 발사가 7차례나 연기되면서 원래 예정된 날짜인 1985년 12월 18일보다 거의 한 달이나 낮은 1986년 1월 12일에 발사되었고 너무 늦어진 바람에 원래 예정된 7일 대신 4일만 우주에 있다가 착륙

- 챌린저호의 STS-51-L는 원래 1986년 1월 22일 발사되기로 예정

→ 위의 컬럼비아호 발사가 지연되면서 23일로 연기

→ 계속 지연되어서 24일로 연기

→ 발사 도중 문제가 생기면 우주비행을 포기하고 착륙해야 하는 세네갈의 수도 다카르의 날씨가 악화되어 26일로 연기

→ 발사 장소인 플로리다주 케네디 우주센터의 날씨가 악화되어 27일로 연기

→ 발사 준비 도중 해치 닫힘 여부 감지 스위치 고장나고, 이를 고친 뒤 해치 고정대를 제거하다가 볼트 하나의 머리가 닳아서 볼트 빼내는 데 시간이 또 들었으며, 볼트를 빼는 도중 발사대 상공에 부는 바람의 풍속이 비행 안전치를 초과해서 바람이 잦아들 때까지 기다리다가 결국 발사 가능시간을 초과해서 28일로 연기

- 27일 저녁 즈음 28일 아침의 기온이 영하 1도 가량으로 떨어져 플로리다로서는 이례적으로 추울 것이라는 일기예보가 나왔고 우주왕복선 부품들은 영하의 날씨에서 발사될 것을 상정하고 테스트된 적이 없었으므로 NASA에서는 티오콜과 전화로 논의했으며, 티오콜의 기술자들은 영상 12도 이하에서 오링의 밀폐성을 보장할 수 없으므로 발사 연기를 건의했고 티오콜 경영진들도 처음에는 기술자들의 의견을 지지했으나 컬럼비아호와 챌린저호의 거듭된 발사 연기 때문에 압력을 받고 있던 NASA 책임자들은 티오콜 측을 쏘아붙이고 발사 강행을 추진

- 발사 당일 아침 실제 기온은 약 영하 2도였고, 얼음이 발사에 영향을 미칠 것을 우려해 약 1시간 정도 발사를 연기하고 발사대를 조사한 후 얼음이 녹는 것처럼 보이자 오전 11시 38분 발사

발사 수 시간 전, 간밤에 영하 8도까지 떨어졌던 추위 때문에 챌린저호와 발사대 주변에 얼어붙은 고드름

- SRB의 연소가 시작되면 조립되어 눌려 있던 연결부가 압력에 의해 변형되면서 약간의 틈이 생기는데, 원래는 이 틈새로 새어 나오는 연소가스를 연결부가 변형되어 눌리지 않게 된 오링이 부풀어 올라 막으면서 연결부가 밀폐되는 과정(압출)을 거치게 되어 있으며 원래 우주왕복선 설계 당시에는 예상치 못했던 현상이나 이전까지의 발사에서는 의외로 잘 작동했으므로 나중에는 압출 과정을 설계의 일부분에 포함

원인조사위원회의 보고서에 기재된 오링의 틈이 없을 때 눌려 있는 모습(오른쪽)과 틈이 있을 때 부풀어올라 틈을 막는 모습(왼쪽)

- 그러나 발사 당일에는 날씨가 너무 추웠기 때문에 고무가 탄성을 잃고 굳어지면서 원래 모양으로 부풀어오르지 못했고, 이전 발사들과는 달리 주 오링과 보조 오링 모두 연결부에 압력이 가해지며 생긴 틈새를 막지 못해 연소가스의 유출 시작

발사 직후(약 2초 근방), 발사대를 떠나는 챌린저의 오른쪽 부스터에서 오링을 뚫고 새어나오는 것이 목격된 연기

- 고무 오링은 이륙 직후 제 기능을 하지 못하고 구멍이 뚫렸으나 이후 고체연료가 타면서 생기는 부산물인 알루미늄 산화물이 연기가 새는 구멍에 들러붙어서 막힌 추정. 만약 이것이 사실이라면 발사가 순조롭게 진행되었을 때 SRB의 연소 종료까지 구멍이 다시 뚫리지 않고 무사히 이륙에 성공했을 수도 있었을 것으로 추측

- 그러나 발사 37초 후 발사대 상공에서 강한 측풍이 챌린저를 덮쳤고 바람의 힘과 이에 대항하는 챌린저의 자세 제어 때문에 SRB에 힘이 가해지면서 알루미늄 산화물 마개도 뚫렸고 연소 가스가 다시 유출되기 시작한 것으로 보이며, 발사 약 58초 후부터 SRB 옆에서 불꽃이 새어나오는 것이 목격

SRB 측면에서 새어나오기 시작한 불꽃

- 유출된 연소가스 불꽃은 바람에 밀려 액체수소가 들어 있는 주 연료탱크 연결 부분에 닿아 태워 들어가기 시작해 약 5초 만에 액체수소가 새어나오기 시작했고, 발사 72초 후 SRB와 주 연료탱크 연결 지지대가 불타 떨어지면서 주 연료탱크 속의 액체수소 탱크가 파열해 액체산소 탱크와 충돌하면서 발사 73초만에 고도 15km에서 챌린저가 공중분해

화염으로 손상된 주 연료탱크에서 액체수소가 유출되는 모습

파열된 액체수소 탱크가 위쪽의 액체산소 탱크를 때리면서 주 연료탱크가 폭발하는 순간

폭발로 분해된 챌린저의 잔해와 연소를 계속하며 흩어지는 좌/우 SRB 및 주 엔진

한줄요약 : 설계결함을 어물쩡 넘어가고 상정되지 않은 추운 날씨에 발사를 강행했다 고무 오링이 연결부 밀폐에 실패하면서 참사 발생

참고 : 기존 연결부 설계(왼쪽)와 챌린저 사고 이후 몇 겹의 안전장치가 추가되고 강화된 새로운 연결부 설계(오른쪽)