Acesta este al doilea articol pe tema utilizării rezonanțelor pentru distrugerea obiectelor fizice.
Primul articol „Amprenta rusească a virusului Stuxnet” a fost introductiv și a fost destinat unui public larg laic.
Este timpul să vă familiarizați cu această metodă în detaliu și, mai întâi, să urmăriți videoclipul cu un exemplu vizual de rezonanță, după care cred că subiectul articolului va deveni mai clar, deoarece este mai bine să vedeți o dată decât să citiți de o sută de ori…
Iată un videoclip:
Iată un altul:
Așadar, vă rugăm să tratați rezonanța cu respect.
Atât de celebru, necunoscut lui Stuxnet
Faimosul virus Stuxnet s-a transformat într-un fel de poveste de groază, toată lumea știe despre asta, dar nimeni nu înțelege pe deplin cum a reușit să distrugă în secret centrifugele pentru îmbogățirea uraniului timp de doi ani. Acesta nu este nici măcar sabotaj, ci o metodă mai sofisticată de sabotaj - sabotajul.
Gândiți-vă pe parcursul a doi ani, sute de centrifuge se descompun în mod constant, toate programele de producție sunt întrerupte, specialiștii sunt chemați „la urechi” și nu pot face nimic până când nu vine un mesaj din Belarus despre detectarea unui virus, sarcina de luptă a cărei module de actualizare a software-ului intern pentru automatizarea industrială de la Siemens.
Ulterior, acest virus a fost numit Stuxnet. Am descoperit metoda de infecție utilizată, cu metodele de pătrundere a acesteia până la nivelul nucleului și metoda de spargere a protecției prin parolă a controlerelor Simatic S7 în rețeaua locală. Am înțeles ceva din ceea ce face firmware-ul actualizat de virus al controlerului grupului de centrifugă.
Dar nimeni nu a explicat încă metoda fizică de dezactivare a echipamentului în acest act de sabotaj. Prin urmare, noi înșine vom încerca să descoperim această cea mai importantă enigmă.
Ce știm
Iată acest controler Simatic S7 asamblat cu module periferice:
Unitatea microprocesor în sine este o cutie cu o cheie albastră, orice altceva este periferic. Software-ul microcontrolerului (se utilizează un limbaj de interpretare special STEP 7) se află în memoria flash internă. Actualizarea software-ului și firmware-ului controlerului în sine are loc prin rețea sau fizic, printr-o unitate flash amovibilă. Astfel de controlere erau dispozitive de control de grup pentru 31 de centrifuge de gaz simultan.
Dar au spart direct centrifugele prin alte dispozitive - un convertor de frecvență pentru acționarea unui motor electric, aproximativ după cum urmează:
Așa arată convertizoarele de frecvență (convertizoarele) pentru motoarele electrice asincrone de diferite puteri. Numele implică scopul funcțional al acestui dispozitiv, convertește tensiunea unei rețele standard (trei faze 360V) într-o tensiune trifazată cu o frecvență diferită și un rating diferit. Conversia tensiunii este controlată de semnale din rețea sau setată manual de la panoul de control.
Un controler Simatic S7 a controlat imediat un grup (31 de dispozitive) de convertoare de frecvență, respectiv, a fost o unitate de control de grup pentru 31 de centrifuge.
După cum au aflat specialiștii, semantica software-ului controlerului de grup a fost puternic modificată de virusul Stuxnet și au considerat emiterea de comenzi de control de grup către convertoarele de frecvență de către software-ul modificat al controlerului Simatic S7 ca fiind cauza directă a defecțiunilor centrifugei..
Software-ul dispozitivului de control modificat de virus a schimbat frecvența de funcționare a fiecărui convertor de frecvență timp de 15 minute o dată într-un interval de cinci ore și, în consecință, viteza de rotație a motorului electric centrifugă conectat la acesta.
Acesta este modul în care este descris într-un studiu realizat de Semantic:
Astfel, viteza motorului este schimbată de la 1410Hz la 2Hz la 1064Hz și apoi din nou. Amintiți-vă că frecvența normală de funcționare în acest moment ar trebui să fie între 807 Hz și 1210 Hz.
Deci, viteza motorului se schimbă de la 1410Hz în pași de 2Hz la 1064Hz și apoi inversează. Ca o reamintire, frecvența normală de funcționare în acest moment a fost menținută între 807 Hz și 1210 Hz.
Și Semanticul concluzionează pe baza acestui lucru:
Astfel, Stuxnet sabotează sistemul încetinind sau accelerând motorul la viteze diferite la momente diferite
(Astfel, Stuxnet sabotează sistemul încetinind sau accelerând motorul la turații diferite la momente diferite.)
Pentru programatorii moderni care cunosc fizica și ingineria electrică doar în volumul școlii secundare, acest lucru este probabil suficient, dar pentru specialiștii mai competenți o astfel de explicație nu este consecventă. O modificare a vitezei de rotație a rotorului centrifugii în intervalul permis și un exces pe termen scurt al frecvenței de funcționare cu 200 Hz (aproximativ 15%) de la valoarea nominală în sine nu poate duce la defecțiuni masive ale echipamentelor.
Câteva detalii tehnice
Așa arată o cascadă de centrifuge de gaz pentru producerea de uraniu îmbogățit:
Există zeci de astfel de cascade la fabricile de îmbogățire a uraniului, numărul total de centrifuge depășind 20-30 mii …
Centrifuga în sine este un dispozitiv destul de simplu în proiectare, iată desenul său schematic:
Dar această simplitate constructivă este înșelătoare, fapt este că rotorul unei astfel de centrifuge, lung de aproximativ doi metri, se rotește cu o viteză de aproximativ 50.000 rpm. Echilibrarea unui rotor cu o configurație spațială complexă, de aproape doi metri lungime, este o sarcină foarte dificilă.
În plus, sunt necesare metode speciale de suspensie a rotorului în lagăre; pentru aceasta, se utilizează lagăre speciale cu ace flexibile, completate cu o suspensie magnetică complexă auto-aliniată.
Pentru fiabilitatea centrifugelor cu gaz, principala problemă este rezonanța structurii mecanice, care este asociată cu anumite viteze de rotație ale rotorului. Centrifugele cu gaz sunt chiar clasificate pe această bază. O centrifugă care funcționează la o viteză a rotorului peste cea rezonantă se numește supercritică, sub - subcritică.
Nu credeți că viteza rotorului este frecvența rezonanței mecanice. Nimic de acest gen, rezonanța mecanică nu este legată de viteza de rotație a rotorului centrifugii prin relații foarte complexe. Frecvența de rezonanță și viteza rotorului pot diferi cu un ordin de mărime.
De exemplu, o zonă de rezonanță tipică a unei centrifuge este o frecvență cuprinsă între 10Hz-100Hz, în timp ce viteza rotorului este de 40-50 mii rpm. În plus, frecvența de rezonanță nu este un parametru fix, ci unul plutitor, depinde de modul curent de funcționare al centrifugii (compoziția, densitatea temperaturii gazului în primul rând) și reacția în structura suspensiei rotorului.
Sarcina principală a dezvoltatorului de echipamente este de a împiedica centrifuga să funcționeze în moduri de vibrații crescute (rezonanțe); pentru aceasta, sisteme automate de blocare de urgență pentru nivelul vibrațiilor (tensometre), funcționarea la viteze ale rotorului provocând rezonanța structurii mecanice (tahometre)), sarcini de curent crescute ale motorului (protecție la curent).
Sistemele de urgență nu sunt niciodată combinate cu echipamente responsabile pentru funcționarea normală a instalației, sunt sisteme electromecanice separate, de obicei foarte simple, pentru oprirea lucrului (pur și simplu întrerupătoare de urgență). Deci nu le puteți dezactiva și reconfigura programatic.
Colegii din SUA și Israel au trebuit să rezolve o sarcină complet banală, - distrugeți centrifuga fără a declanșa automatele de siguranță.
Și acum despre necunoscut cum s-a făcut
Cu mâna ușoară a traducătorilor centrului științific „NAUTSILUS”, care au tradus cercetările specialiștilor Symantik în rusă, mulți specialiști care nu au citit raportul Symantik în original au avut părerea că accidentul a fost cauzat de tensiunea de funcționare frecvența redusă la 2Hz la motorul centrifugii electrice.
Nu este cazul, traducerea corectă este dată la începutul textului articolului.
Și, în principiu, este imposibil să se reducă frecvența tensiunii de alimentare a unui motor cu inducție de mare viteză la 2Hz. Chiar și o alimentare pe termen scurt a unei astfel de tensiuni de joasă frecvență către înfășurări va provoca un scurtcircuit în înfășurări și va declanșa protecția curentului.
Totul s-a făcut mult mai inteligent.
Metoda de excitație a rezonanței în sistemele electromecanice descrisă mai jos ar putea pretinde a fi nouă și sunt considerat autorul ei, dar cel mai probabil este folosit deja de autorii virusului Stuxnet, așa că, din păcate, rămâne doar să plagiezi…
Și totuși, explic pe degetele mele, în același timp conducând un program educațional despre elementele de bază ale fizicii. Imaginați-vă o încărcătură masivă, să zicem o tonă, agățată de un cablu, să zicem 10 metri lungime. Am obținut cel mai simplu pendul cu propria frecvență de rezonanță.
Să presupunem în plus că doriți să-l legați cu degetul mic, aplicând un efort de 1 kg. O singură încercare nu va produce niciun rezultat vizibil.
Acest lucru înseamnă că trebuie să îl împingeți în mod repetat, aplicând un efort de 1 kg, să zicem de 1000 de ori, atunci putem presupune că un astfel de efort multiplu va fi echivalent în total cu o singură aplicare a unui efort pe tonă, acest lucru este destul de suficient pentru a balansa un astfel de pendul.
Și astfel, schimbăm tactica și începem să împingem în mod repetat sarcina suspendată cu degetul mic, de fiecare dată aplicând un efort de 1 kg. Nu vom mai reuși, pentru că nu cunoaștem fizica …
Și dacă ar ști, atunci mai întâi ar calcula perioada de oscilație a pendulului (greutatea este absolut neimportantă, suspensia este de 10 metri, forța de greutate este 1g) și au început să împingă sarcina cu această perioadă cu degetul mic. Formula este bine cunoscută:
În 10-20 de minute, acest pendul care cântărește o tonă ar fi oscilat astfel încât „mama să nu plângă”.
Mai mult decât atât, nu este necesar să apăsați cu degetul mic pe fiecare calitate a pendulului; acest lucru se poate face o dată sau de două ori și chiar după o sută de oscilații ale pendulului. Doar că timpul de acumulare va crește proporțional, dar efectul de acumulare va fi complet păstrat.
Și totuși, voi surprinde oamenii care cunosc fizica și matematica în volumul școlii secundare (nivelul de cunoștințe al unui programator modern tipic), perioada de oscilație a unui astfel de pendul nu depinde de amplitudinea oscilației, o leagănă cu un milimetru sau la un metru de punctul de repaus, perioada de oscilație și, în consecință, frecvența de oscilație a pendulului vor fi constante.
Orice structură spațială nu are nici măcar una, ci mai multe frecvențe rezonante; de fapt, există mai multe astfel de pendule în ea. Centrifugele cu gaz, datorită caracteristicilor lor tehnice, au așa-numita frecvență rezonantă principală de factor de înaltă calitate (acumulează efectiv energia vibrațională).
Rămâne doar să balansați centrifuga cu gaz cu un deget la frecvența de rezonanță. Este o glumă, desigur, dacă există un motor electric cu un sistem de control automat, atunci același lucru se poate face mult mai imperceptibil.
Pentru a face acest lucru, trebuie să măriți / micșorați viteza motorului electric în scuturi (așa cum a făcut virusul, la 2 Hz) și să eliberați aceste scuturări cu frecvența de rezonanță a structurii mecanice a centrifugii.
Cu alte cuvinte, este necesar să alimentați motorul cu frecvența de rezonanță mecanică utilizând un convertor de tensiune de frecvență cu frecvență variabilă. Momentul de forță care apare în motor când frecvența tensiunii de alimentare se schimbă va fi transmisă carcasei cu frecvența rezonanței mecanice și treptat oscilațiile rezonante vor atinge un nivel la care instalația va începe să se prăbușească
Fluctuațiile de frecvență în apropierea unei anumite valori medii se numesc „bătăi”, acesta este un efect standard al oricărui convertor de frecvență, frecvența, așa cum se spune, „merge” în anumite limite, de obicei nu mai mult de zecimi la sută din nominal. Sabotorii deghizați în aceste bătăi naturale ale frecvenței, modulare proprie, introdusă artificial, a frecvenței motorului electric și sincronizată cu frecvența rezonanței mecanice a structurii spațiale a centrifugei.
Nu voi mai intra în subiect, altfel voi fi acuzat că am scris instrucțiuni pas cu pas pentru sabotori. Prin urmare, în afara discuției, voi lăsa problema găsirii frecvenței de rezonanță pentru o anumită centrifugă (este individuală pentru fiecare centrifugă). Din același motiv, nu voi descrie metoda de ajustare „fină”, atunci când este necesar să se echilibreze pe punctul de a declanșa protecția de urgență împotriva vibrațiilor.
Aceste sarcini sunt rezolvate prin intermediul senzorilor de curent de ieșire disponibili ai software-ului, instalați în convertoarele de frecvență. Crede-mă pe cuvânt - este destul de realizabil, sunt doar algoritmi.
Din nou despre accidentul de la centrala termică Sayano-Shushenskaya
În articolul precedent, s-a emis ipoteza că accidentul de la centrala hidroelectrică a fost cauzat în același mod (prin metoda de rezonanță) ca la o uzină de îmbogățire a uraniului din Iran, folosind un software special.
Aceasta nu înseamnă, desigur, că același virus Stuxnet funcționa ici și colo, bineînțeles că nu. Același principiu fizic de distrugere a obiectelor a funcționat - o rezonanță indusă artificial a unei structuri mecanice.
Prezența rezonanței este indicată de prezența piulițelor deșurubate pentru fixarea capacului turbinei și de citirile singurului senzor de vibrație axială care funcționa în momentul accidentului.
Ținând cont de coincidența timpului și cauzele accidentului HPP cu faptul de sabotaj la uzina iraniană de îmbogățire a uraniului, sistemul de control al vibrațiilor continue a fost oprit în momentul accidentului, funcționarea unității sub controlul sistemul de control automat al turbinei, se poate presupune că rezonanța nu a fost un fenomen accidental, ci unul artificial.
Dacă această presupunere este corectă, atunci, spre deosebire de situația cu centrifugele cu gaz, sarcina de a distruge unitatea de turbină a necesitat o intervenție manuală. Echipamentul disponibil la HPP nu a permis software-ului de sabotaj să detecteze automat frecvența de rezonanță individuală și apoi să păstreze vibrațiile în modul de urgență fără a declanșa senzorii de urgență.
La centrala hidroelectrică, activitatea software-ului de sabotaj a necesitat utilizarea „factorului uman”. Cineva a trebuit cumva să oprească serverul de control al vibrațiilor și înainte de a transfera către dezvoltatorii software-ului de sabotaj parametrii rezonanțelor unei anumite turbine, care au fost eliminați din acesta cu șase luni înainte de accident în timpul unei reparații programate.
Restul a fost o chestiune de tehnică.
Nu este nevoie să ne gândim că rezonanța a apărut chiar în corpul rotorului turbinei, desigur că nu. A fost cauzată rezonanța stratului de apă, saturat cu cavități elastice de cavitație, situate între rotorul turbinei și paletele de ghidare.
Într-un mod simplificat, ne putem imagina o astfel de analogie, în partea de jos există un arc format din cavități de cavitație între rotorul turbinei și lamele paletelor de ghidare, iar acest arc este susținut de o coloană de apă înaltă de o sută de metri. Se dovedește un circuit oscilator ideal. A lega un astfel de sistem pendul este o sarcină foarte reală.
Este din cauza acestei rezonanțe TOATE lamele paletelor de ghidare au fost sparte, și nu mecanic, de la impacturi, ci rupte de o sarcină dinamică. Iată o fotografie a acestor lame sparte, nu există urme de șocuri mecanice pe suprafețele lor:
Lamele sparte ale aripilor de ghidaj au blocat orificiul de scurgere al turbinei și din această circumstanță neprevăzută accidentul a început să se transforme într-o catastrofă.
Rotorul turbinei semăna cu o elice supercisternă și a început să se rotească într-o „cutie de apă închisă” cu o masă de o mie și jumătate de mii de tone și o viteză de rotație de 150 rpm. În zona de lucru a turbinei, a fost creată o astfel de suprapresiune a apei, încât capacul a fost rupt, iar turbina însăși, potrivit martorilor oculari, împreună cu rotorul generatorului (un colos de 1.500 de tone) au zburat până la tavanul sălii turbinei.
Ceea ce mai era cunoscut de toată lumea.
