Ovo je drugi članak na temu korištenja rezonancija za uništavanje fizičkih objekata.
Prvi članak "Ruski otisak virusa Stuxnet" bio je uvodni i bio je namijenjen širokoj laičkoj publici.
Vrijeme je da se detaljno upoznate s ovom metodom, a prvo pogledajte video s vizualnim primjerom rezonancije, nakon toga mislim da će tema članka postati jasnija, jer je bolje vidjeti jednom nego pročitati stotinu puta…
Evo videa:
Evo još jednog:
Zato vas molim da se prema rezonanciji odnosite s poštovanjem.
Tako poznat, nepoznat Stuxnetu
Svjetski poznati virus Stuxnet do sada se pretvorio u svojevrsnu horor priču, svi znaju za nju, ali nitko u potpunosti ne razumije kako je dvije godine uspio potajno uništiti centrifuge za obogaćivanje urana. Ovo čak nije ni sabotaža, već sofisticiranija metoda sabotaže - sabotaža.
Zamislite samo da se tijekom dvije godine stotine centrifuga neprestano kvare, svi rasporedi proizvodnje su poremećeni, stručnjaci se zovu "na ušima" i ne mogu ništa učiniti dok iz Bjelorusije ne stigne poruka o otkrivanju virusa, borbeno opterećenje od čega su bili moduli ažuriranja internog softvera za industrijsku automatizaciju iz Siemensa.
Nakon toga je ovaj virus dobio ime Stuxnet. Otkrili smo upotrijebljenu metodu zaraze, s metodama njezinog prodiranja na razinu jezgre, te metodu razbijanja zaštite lozinkom za kontrolere Simatic S7 u lokalnoj mreži. Shvatili smo nešto iz onoga što radi firmver upravljačkog programa grupe centrifuga ažuriran virusom.
No nitko još nije objasnio fizičku metodu onemogućavanja opreme u ovom činu sabotaže. Stoga ćemo sami pokušati odgonetnuti ovu najvažniju zagonetku.
Što znamo
Evo ovog Simatic S7 kontrolera sastavljenog s perifernim modulima:
Sama mikroprocesorska jedinica je kutija s plavim ključem, sve ostalo su periferne jedinice. Softver mikrokontrolera (koristi se poseban jezik tumača STEP 7) nalazi se u internoj flash memoriji. Ažuriranje softvera i firmvera samog kontrolera događa se putem mreže ili fizički putem prijenosnog flash pogona. Takvi regulatori bili su grupni upravljački uređaji za 31 plinsku centrifugu odjednom.
Ali izravno su razbili centrifuge kroz druge uređaje, - pretvarač frekvencije za rad elektromotora, otprilike na sljedeći način:
Ovako izgledaju pretvarači frekvencije (pretvarači) za asinkrone elektromotore različitih snaga. Naziv implicira funkcionalnu namjenu ovog uređaja, pretvara napon standardne mreže (tri faze 360V) u trofazni napon različite frekvencije i različite ocjene. Pretvorbom napona upravljaju signali iz mreže ili se ručno postavlja s upravljačke ploče.
Jedan kontroler Simatic S7 odmah je upravljao skupinom (31 uređaj) pretvarača frekvencije, odnosno bila je to grupna upravljačka jedinica za 31 centrifugu.
Kako su stručnjaci otkrili, semantiku softvera kontrolera grupne kontrole uvelike je izmijenio virus Stuxnet, pa su izdavanje grupnih naredbi za upravljanje pretvaračima frekvencije smatrali izravnim uzrokom kvarova centrifuge.
Softver upravljačkog uređaja koji je modificirao virus promijenio je radnu frekvenciju svakog pretvarača frekvencije jednom na 15 minuta tijekom petosatnog intervala, a prema tome i brzinu vrtnje na njega spojenog elektromotora centrifuge.
Ovako je to opisano u studiji Semantika:
Tako se brzina motora mijenja s 1410Hz na 2Hz na 1064Hz, a zatim se ponovno. Podsjetimo, normalna radna frekvencija u ovom trenutku trebala bi biti između 807 Hz i 1210 Hz.
Tako se brzina motora mijenja sa 1410Hz u koracima od 2Hz na 1064Hz, a zatim se vraća unatrag. Podsjećamo, normalna radna frekvencija u ovom trenutku održavana je između 807 Hz i 1210 Hz.
I semantički zaključuje na temelju ovoga:
Stoga Stuxnet sabotira sustav usporavajući ili ubrzavajući motor na različite brzine u različito vrijeme
(Dakle, Stuxnet sabotira sustav usporavajući ili ubrzavajući motor na različite brzine u različito vrijeme.)
Suvremenim programerima koji poznaju fiziku i elektrotehniku samo u svesku srednje škole to je vjerojatno dovoljno, ali za kompetentnije stručnjake takvo objašnjenje nije dosljedno. Promjena brzine vrtnje rotora centrifuge unutar dopuštenog raspona i kratkotrajno prekoračenje radne frekvencije za 200 Hz (oko 15%) od nominalne vrijednosti samo po sebi ne može dovesti do velikih kvarova opreme.
Neki tehnički detalji
Ovako izgleda kaskada plinskih centrifuga za proizvodnju obogaćenog urana:
U tvornicama za obogaćivanje urana postoji desetine takvih kaskada, ukupan broj centrifuga prelazi 20-30 tisuća …
Sama centrifuga prilično je jednostavan uređaj u dizajnu, ovdje je njezin shematski crtež:
No ova konstruktivna jednostavnost vara, činjenica je da se rotor takve centrifuge, dugačke oko dva metra, okreće brzinom od oko 50.000 o / min. Balansiranje rotora složene prostorne konfiguracije, duljine gotovo dva metra, vrlo je težak zadatak.
Osim toga, potrebne su posebne metode ovjesa rotora u ležajevima; za to se koriste posebni fleksibilni igličasti ležajevi, zajedno sa složenim samonaravnavajućim magnetskim ovjesom.
Za pouzdanost plinskih centrifuga glavni je problem rezonancija mehaničke strukture koja je povezana s određenim brzinama vrtnje rotora. Plinske centrifuge su čak kategorizirane na temelju toga. Centrifuga koja radi brzinom rotora iznad rezonantne naziva se nadkritična, ispod - podkritična.
Nemojte misliti da je brzina rotora frekvencija mehaničke rezonancije. Ništa slično, mehanička rezonancija nije povezana sa brzinom rotacije rotora centrifuge kroz vrlo složene odnose. Učestalost rezonancije i brzina rotora mogu se razlikovati po veličini.
Na primjer, tipično rezonantno područje centrifuge je frekvencija u rasponu od 10Hz-100Hz, dok je brzina rotora 40-50 tisuća o / min. Osim toga, rezonantna frekvencija nije fiksni parametar, već plutajući, ovisi o trenutnom načinu rada centrifuge (sastav, gustoća temperature plina na prvom mjestu) i zazoru u strukturi ovjesa rotora.
Glavni zadatak programera opreme je spriječiti rad centrifuge u načinima povećanih vibracija (rezonancija); u tu svrhu automatski sustavi za blokiranje u nuždi za razinu vibracija (mjerači naprezanja) rade pri brzinama rotora uzrokujući rezonanciju mehaničke strukture (tahometri), povećana strujna opterećenja motora (strujna zaštita).
Sustavi u slučaju nužde nikada se ne kombiniraju s opremom odgovornom za normalan rad instalacije, oni su zasebni, obično vrlo jednostavni elektromehanički sustavi za prekid rada (jednostavno prekidači u slučaju nužde). Dakle, ne možete ih programski onemogućiti i ponovno konfigurirati.
Kolege iz SAD -a i Izraela morali su riješiti potpuno beznačajan zadatak, - uništiti centrifugu bez pokretanja sigurnosne automatike.
A sada o nepoznatom kako je to učinjeno
Uz laku ruku prevoditelja znanstvenog centra "NAUTSILUS", koji su preveli istraživanje stručnjaka Symantika na ruski, mnogi stručnjaci koji nisu čitali izvješće Symantika u izvorniku imali su mišljenje da je nesreću uzrokovao radni napon frekvencija smanjena na 2Hz do elektromotora centrifuge.
To nije slučaj, točan prijevod dat je na početku teksta članka.
U načelu, nemoguće je smanjiti frekvenciju napona napajanja indukcijskog motora velike brzine na 2Hz. Čak će i kratkoročno napajanje tako niskofrekventnog napona namotima uzrokovati kratki spoj u namotima i pokrenuti strujnu zaštitu.
Sve je napravljeno mnogo pametnije.
Dolje opisana metoda pobude rezonancije u elektromehaničkim sustavima mogla bi tvrditi da je nova, i smatram se njezinim autorom, no najvjerojatnije su je već koristili autori virusa Stuxnet, pa, nažalost, ostaje samo plagirati…
Pa ipak, objašnjavam na prstima, istodobno provodeći obrazovni program o osnovama fizike. Zamislite ogroman teret, recimo tonu, koji visi na kabelu, recimo dugačkom 10 metara. Dobili smo najjednostavnije njihalo s vlastitom rezonantnom frekvencijom.
Pretpostavimo nadalje da ga želite zamahnuti malim prstom, uloživši napor od 1 kg. Jedan pokušaj neće proizvesti vidljive rezultate.
To znači da ga morate više puta gurati, primjenjujući napor od 1 kg, recimo 1000 puta, tada možemo pretpostaviti da će takav višestruki napor biti ekvivalentan ukupno jednoj primjeni napora po toni, to je sasvim dovoljno da zamahne takvim njihalom.
I tako, mijenjamo taktiku i počinjemo opetovano gurati viseći teret malim prstom, svaki put ulažući napor od 1 kg. Nećemo opet uspjeti, jer ne poznajemo fiziku …
A kad bi znali, onda bi prvo izračunali razdoblje osciliranja njihala (težina je apsolutno nevažna, ovjes je 10 metara, sila gravitacije 1 g) i počeli bi s ovim prstom gurati teret s ovim prstom. Formula je dobro poznata:
Za 10-20 minuta ovo njihalo teško tonu zamahnulo bi tako da "mama ne plače".
Štoviše, nije potrebno prstom pritiskati svaku kvalitetu njihala; to se može učiniti jednom, ili dvaput, pa čak i nakon stotinu oscilacija njihala. Samo će se vrijeme nakupljanja proporcionalno povećavati, ali će se učinak nakupljanja u potpunosti sačuvati.
Pa ipak, iznenadit ću ljude koji poznaju fiziku i matematiku u svesku srednje škole (razina znanja tipičnog modernog programera), razdoblje titranja takvog njihala ne ovisi o amplitudi oscilacija, zamahnite je za milimetar ili metar od točke odmora, razdoblje titranja i, prema tome, frekvencija titranja njihala bit će konstantni.
Svaka prostorna struktura nema čak ni jednu, već nekoliko rezonantnih frekvencija; zapravo, u njoj postoji nekoliko takvih njihala. Plinske centrifuge, zbog svojih tehničkih svojstava, imaju takozvanu glavnu rezonantnu frekvenciju visokog faktora kvalitete (učinkovito akumuliraju energiju vibracija).
Ostaje samo zamahnuti plinsku centrifugu prstom na rezonantnoj frekvenciji. Šala je, naravno, ako postoji elektromotor sa sustavom automatskog upravljanja, onda se isto može učiniti mnogo neprimjetno.
Da biste to učinili, trebate povećati / smanjiti brzinu elektromotora u trzajima (kao što je to učinio virus, na 2 Hz) i izdati ove trzaje rezonantnom frekvencijom mehaničke strukture centrifuge.
Drugim riječima, potrebno je opskrbiti motor frekvencijom mehaničke rezonancije pomoću pretvarača frekvencijskog napona s promjenjivom frekvencijom. Moment sile koji se javlja u motoru kada se učestalost promjene napona napajanja prenese na kućište s frekvencijom mehaničke rezonancije i postupno će rezonantne oscilacije doseći razinu na kojoj će se instalacija početi urušavati
Fluktuacije frekvencije u blizini određene prosječne vrijednosti nazivaju se "otkucaji", to je standardni učinak bilo kojeg pretvarača frekvencije, frekvencija, kako kažu, "hoda" unutar određenih granica, obično ne više od desetina posto nominalnog. Saboteri su se prerušili u ove prirodne taktove frekvencije, vlastite, umjetno uvedene, modulaciju frekvencije elektromotora i sinkronizirali je s frekvencijom mehaničke rezonancije prostorne strukture centrifuge.
Neću više ulaziti u temu, u protivnom će me optužiti da pišem korak po korak upute za diverzante. Stoga ću izvan rasprave ostaviti pitanje pronalaženja rezonantne frekvencije za određenu centrifugu (to je individualno za svaku centrifugu). Iz istog razloga neću opisivati metodu "finog" podešavanja, kada je potrebno balansirati na rubu pokretanja zaštite u nuždi od vibracija.
Ovi se zadaci rješavaju pomoću softverski dostupnih osjetnika struje izlaznog napona instaliranih u pretvaračima frekvencije. Vjerujte mi na riječ - ovo je sasvim ostvarivo, to su samo algoritmi.
Opet o nesreći u HE Sayano-Shushenskaya
U prethodnom članku, postavljena je hipoteza da je nesreća u hidroelektrani uzrokovana na isti način (metodom rezonancije) kao u tvornici za obogaćivanje urana u Iranu, koristeći poseban softver.
To naravno ne znači da je tu i tamo djelovao isti Stuxnet virus, naravno da nije. Djelovao je isti fizički princip uništavanja objekata - umjetno izazvana rezonancija mehaničke strukture.
Prisutnost rezonance ukazuje prisutnost odvrnutih matica za pričvršćivanje poklopca turbine i očitanja jedinog osjetnika aksijalnih vibracija koji je radio u vrijeme nesreće.
Uzimajući u obzir podudarnost vremena i uzroka nesreće HE s činjenicom sabotaže u iranskom postrojenju za obogaćivanje urana, sustav kontinuirane kontrole vibracija isključen je u vrijeme nesreće, rad jedinice pod kontrolom sustav automatskog upravljanja turbinskim agregatom, može se pretpostaviti da rezonancija nije bila slučajna pojava, već ona koju je napravio čovjek.
Ako je ova pretpostavka točna, tada je, za razliku od situacije s plinskim centrifugama, zadatak uništavanja turbinske jedinice zahtijevao ručnu intervenciju. Oprema dostupna u HE nije dopuštala softveru za sabotažu da automatski detektira pojedinačnu rezonantnu frekvenciju, a zatim zadrži vibracije unutar načina rada u nuždi bez aktiviranja senzora za hitne slučajeve.
U hidroelektrani rad diverzantskog softvera zahtijevao je korištenje "ljudskog faktora". Netko je nekako morao isključiti poslužitelj za kontrolu vibracija, a prije toga je programerima softvera za sabotažu prenio parametre rezonancija određene turbinske jedinice, koji su uklonjeni s njega šest mjeseci prije nesreće tijekom planiranog popravka.
Ostalo je bilo stvar tehnike.
Ne morate misliti da se rezonancija dogodila u samom tijelu rotora turbine, naravno da nije. Nastala je rezonancija vodenog sloja, zasićenog elastičnim kavitacijskim šupljinama, koji se nalazi između rotora turbine i vodilica.
Na pojednostavljen način, možemo zamisliti takvu analogiju, pri dnu se nalazi opruga napravljena od kavitacijskih šupljina između rotora turbine i lopatica vodilica, a ovaj izvor podupire stupac vode visok stotinjak metara. Ispada idealan oscilatorni krug. Zamahnuti takvim sustavom njihala vrlo je stvaran zadatak.
To je zbog ove rezonancije SVI lopatice vodećih lopatica slomljene su, i to ne mehanički, od udara, već slomljene dinamičkim opterećenjem. Evo fotografija ovih slomljenih oštrica, na njihovim površinama nema tragova mehaničkih udara:
Slomljene lopatice vodećih lopatica blokirale su odvodnu rupu turbine i upravo se iz te nepredviđene okolnosti nesreća počela razvijati u katastrofu.
Rotor turbine nalikovao je na propeler supertankera, te se počeo okretati u "zatvorenoj limenci vode" mase jedne i pol tisuće tona i brzine vrtnje od 150 o / min. U radnom području turbine stvoren je takav nadtlak vode da je poklopac otkinuti, a sama turbina je, prema riječima očevidaca, zajedno s rotorom generatora (kolos od 1500 tona) odletjela do strop hale turbina.
Ono što je svima dalje bilo poznato.
