Dette er den anden artikel om emnet brug af resonanser til at ødelægge fysiske objekter.
Den første artikel "Det russiske fodaftryk af Stuxnet -virussen" var indledende og var tiltænkt et bredt lægmandspublikum.
Det er på tide at stifte bekendtskab med denne metode i detaljer, og først se videoen med et visuelt eksempel på resonans, efter det tror jeg, at emnet for artiklen bliver tydeligere, fordi det er bedre at se en gang end at læse hundrede gange…
Her er en video:
Her er en anden:
Så vær venlig at behandle resonans med respekt.
Så berømt, ukendt for Stuxnet
Den verdensberømte Stuxnet -virus er nu blevet til en slags skrækhistorie, alle ved det, men ingen forstår fuldt ud, hvordan det lykkedes ham i hemmelighed at ødelægge centrifuger til uranberigelse i to år. Dette er ikke engang sabotage, men en mere sofistikeret metode til sabotage - sabotage.
Tænk bare i løbet af to år, hundredvis af centrifuger bryder konstant ned, alle produktionsplaner forstyrres, specialister kaldes "på deres ører" og kan ikke gøre noget, før der kommer en besked fra Hviderusland om påvisning af en virus, kampbelastning heraf var opdateringsmodulerne for den interne software til industriel automatisering fra Siemens.
Efterfølgende fik denne virus navnet Stuxnet. Vi fandt ud af, hvilken infektionsmetode der blev brugt, med metoderne for dens indtrængning til kernelniveau og metoden til at knække adgangskodebeskyttelsen af Simatic S7 -controllere i det lokale netværk. Vi forstod noget af, hvad den virusopdaterede firmware i centrifugegruppecontrolleren gør.
Men ingen har endnu forklaret den fysiske metode til at deaktivere udstyr i denne sabotageaktion. Derfor vil vi selv forsøge at finde ud af denne vigtigste gåde.
Hvad ved vi
Her er denne Simatic S7 -controller samlet med perifere moduler:
Selve mikroprocessorenheden er en æske med en blå nøgle, alt andet er periferiudstyr. Mikrocontrollersoftwaren (der bruges et specielt STEP 7 -tolksprog) i den interne flashhukommelse. Opdatering af softwaren og firmwaren til selve controlleren sker via netværket eller fysisk via et flytbart flashdrev. Sådanne controllere var gruppestyringsanordninger til 31 gascentrifuger på én gang.
Men de brød centrifuger direkte gennem andre enheder - en frekvensomformer til drift af en elektrisk motor, omtrent som følger:
Sådan ser frekvensomformere (konvertere) til asynkrone elektriske motorer med forskellige kræfter ud. Navnet antyder det funktionelle formål med denne enhed, den konverterer spændingen i et standardnetværk (tre faser 360V) til en trefaset spænding med en anden frekvens og en anden rating. Spændingskonvertering styres af signaler fra netværket eller indstilles manuelt fra kontrolpanelet.
En Simatic S7 -controller kontrollerede straks en gruppe (31 enheder) af frekvensomformere, henholdsvis, det var en gruppestyringsenhed til 31 centrifuger.
Som specialisterne fandt ud af, blev semantikken i gruppestyringscontrollersoftwaren stærkt modificeret af Stuxnet -virussen, og de betragtede udstedelse af gruppekontrolkommandoer til frekvensomformere af den modificerede software fra Simatic S7 -controlleren som den direkte årsag til centrifugeringsfejl.
Software til kontrolenheden, der blev modificeret af virussen, ændrede driftsfrekvensen for hver frekvensomformer i 15 minutter én gang i løbet af et fem timers interval og følgelig rotationshastigheden for den centrifugerede elektriske motor tilsluttet den.
Sådan beskrives det i en undersøgelse af Semantic:
Således ændres motorens hastighed fra 1410Hz til 2Hz til 1064Hz og derefter igen. Husk den normale driftsfrekvens på dette tidspunkt formodes at være mellem 807 Hz og 1210 Hz.
Så motorhastigheden skifter fra 1410Hz i trin på 2Hz til 1064Hz og vender derefter tilbage. Som en påmindelse blev den normale driftsfrekvens på dette tidspunkt opretholdt mellem 807 Hz og 1210 Hz.
Og Semantic konkluderer på grundlag af dette:
Således saboterer Stuxnet systemet ved at bremse eller fremskynde motoren til forskellige hastigheder på forskellige tidspunkter
(Således saboterer Stuxnet systemet ved at bremse eller accelerere motoren til forskellige hastigheder på forskellige tidspunkter.)
For moderne programmører, der kun kender fysik og elektroteknik i gymnasiet, er dette nok nok, men for mere kompetente specialister er en sådan forklaring ikke konsekvent. En ændring i centrifugerotorens rotationshastighed inden for det tilladte område og et kortsigtet overskridelse af driftsfrekvensen med 200 Hz (ca. 15%) fra den nominelle værdi i sig selv kan ikke føre til massive nedbrud af udstyr.
Nogle tekniske detaljer
Sådan ser en kaskade af gascentrifuger til produktion af beriget uran ud:
Der er snesevis af sådanne kaskader på uranberigelsesfabrikker, det samlede antal centrifuger overstiger 20-30 tusinde …
Selve centrifugen er en ret enkel enhed i design, her er dens skematiske tegning:
Men denne konstruktive enkelhed bedrager, faktum er, at rotoren i en sådan centrifuge, cirka to meter lang, roterer med en hastighed på omkring 50.000 omdr./min. Balancering af en rotor med en kompleks rumlig konfiguration, næsten to meter lang, er en meget vanskelig opgave.
Derudover kræves særlige metoder til rotorsuspension i lejer; hertil bruges specielle fleksible nålelejer, komplet med en kompleks selvjusterende magnetisk suspension.
For pålideligheden af gascentrifuger er hovedproblemet resonansen i den mekaniske struktur, som er forbundet med visse rotationshastigheder for rotoren. Gascentrifuger er endda kategoriseret på dette grundlag. En centrifuge, der arbejder med en rotorhastighed over den resonante, kaldes superkritisk, under - subkritisk.
Tro ikke, at rotorhastigheden er frekvensen af mekanisk resonans. Intet af den slags, mekanisk resonans er relateret til centrifugerotorens rotationshastighed gennem meget komplekse forhold. Resonansfrekvensen og rotorhastigheden kan variere med en størrelsesorden.
For eksempel er et typisk resonansområde for en centrifuge en frekvens i området 10Hz-100Hz, mens rotorhastigheden er 40-50 tusind omdr./min. Desuden er resonansfrekvensen ikke en fast parameter, men en flydende, det afhænger af centrifugens aktuelle driftstilstand (sammensætning, gastemperatur i første omgang) og tilbageslag i rotorophængstrukturen.
Udviklerens hovedopgave er at forhindre centrifugen i at fungere i former for øget vibration (resonanser); hertil automatiske nødblokeringssystemer til vibrationsniveau (belastningsmålere), drift ved rotorhastigheder, der forårsager resonans af den mekaniske struktur (tachometre), øget motorbelastning (strømbeskyttelse).
Nødsystemer kombineres aldrig med udstyr, der er ansvarligt for installationens normale drift, de er separate, normalt meget enkle elektromekaniske systemer til stop af arbejdet (simpelthen nødafbrydere). Så du kan ikke programmatisk deaktivere og omkonfigurere dem.
Kolleger fra USA og Israel måtte løse en helt ikke -triviel opgave, - ødelægge centrifugen uden at udløse sikkerhedsautomatikken.
Og nu om det ukendte, hvordan det blev gjort
Med let hånd fra oversætterne af det videnskabelige center "NAUTSILUS", der oversatte forskningen fra Symantik -specialisterne til russisk, havde mange specialister, der ikke læste Symantik -rapporten i originalen, den opfattelse, at ulykken var forårsaget af driftsspændingen frekvens reduceret til 2Hz til centrifugen elmotor.
Dette er ikke tilfældet, den korrekte oversættelse er givet i begyndelsen af artiklens tekst.
Og i princippet er det umuligt at reducere frekvensen af forsyningsspændingen på en højhastighedsinduktionsmotor til 2Hz. Selv en kortvarig forsyning af en sådan lavfrekvent spænding til viklingerne vil forårsage kortslutning i viklingerne og udløse strømbeskyttelse.
Alt blev gjort meget smartere.
Metoden til excitation af resonans i elektromekaniske systemer beskrevet nedenfor kan hævde at være ny, og jeg betragtes som dens ophavsmand, men den er sandsynligvis allerede brugt af forfatterne til Stuxnet -virussen, så det er desværre kun at plagiere…
Og ikke desto mindre forklarer jeg på mine fingre, samtidig med at jeg gennemfører et uddannelsesprogram om det grundlæggende i fysik. Forestil dig en massiv belastning, sig et ton, hængende på et kabel, lad os sige 10 meter lang. Vi har opnået det enkleste pendul med sin egen resonansfrekvens.
Antag yderligere, at du vil svinge den med din lillefinger og anvende en indsats på 1 kg. Et enkelt forsøg giver intet synligt resultat.
Det betyder, at du skal skubbe den gentagne gange, anvende en indsats på 1 kg på den, siger 1000 gange, så kan vi antage, at en sådan flere anstrengelser i alt vil svare til en enkelt anvendelse af en indsats pr. Ton, dette er ganske nok til at svinge sådan et pendul.
Og så ændrer vi taktik, og vi begynder gentagne gange at skubbe den suspenderede last med vores lillefinger, hver gang vi anvender en indsats på 1 kg. Vi vil ikke lykkes igen, fordi vi ikke kender fysik …
Og hvis de vidste det, ville de først beregne pendulperioden for pendulet (vægten er absolut uvigtig, suspensionen er 10 meter, tyngdekraften er 1g) og begyndte at skubbe belastningen med denne periode med lillefingeren. Formlen er velkendt:
På 10-20 minutter ville dette pendul, der vejer et ton, svinge, så "mor ikke græder."
Desuden er det ikke nødvendigt at trykke med lillefingeren på hver pendulkvalitet; dette kan gøres en eller to gange, og selv efter hundrede svingninger af pendulet. Det er bare, at opbygningstiden vil stige proportionelt, men opbygningseffekten bevares fuldstændigt.
Og alligevel vil jeg overraske folk, der kender fysik og matematik i gymnasiet (niveauet af viden om en typisk moderne programmør), oscillationsperioden for et sådant pendul afhænger ikke af oscillationsamplituden, sving den med en millimeter eller en meter fra hvilestedet, vil oscillationsperioden og følgelig pendulets frekvens være konstant.
Enhver rumlig struktur har ikke engang én, men flere resonansfrekvenser; faktisk er der flere sådanne penduler i den. Gascentrifuger har på grund af deres tekniske egenskaber en såkaldt hovedresonansfrekvens af høj kvalitetsfaktor (de akkumulerer effektivt vibrationsenergi).
Det er kun tilbage at svinge gascentrifugen med en finger ved resonansfrekvensen. Det er selvfølgelig en joke, hvis der er en elektrisk motor med et automatisk styresystem, så kan det samme gøres meget mere umærkeligt.
For at gøre dette skal du øge / reducere hastigheden på elmotoren i ryk (som virussen gjorde ved 2 Hz) og udstede disse ryk med resonansfrekvensen for centrifugens mekaniske struktur.
Med andre ord er det nødvendigt at forsyne motoren med mekanisk resonansfrekvens ved hjælp af en frekvensspændingsomformer med variabel frekvens. Det kraftmoment, der opstår i motoren, hvor frekvensen af forsyningsspændingsændringerne vil blive transmitteret til huset med frekvensen af mekanisk resonans og gradvist vil resonansoscillationerne nå et niveau, hvor installationen vil begynde at kollapse
Frekvensudsving i nærheden af en bestemt gennemsnitsværdi kaldes "beats", dette er en standardeffekt af enhver frekvensomformer, frekvensen, som de siger, "går" inden for bestemte grænser, normalt ikke mere end tiendedele af en procent af den nominelle. Sabotørerne forklædt som disse naturlige frekvensslag, deres egne, kunstigt introducerede, modulering af elmotorens frekvens og synkroniserede den med frekvensen af mekanisk resonans af centrifugens rumlige struktur.
Jeg vil ikke gå mere ind på emnet, ellers bliver jeg beskyldt for at skrive trin-for-trin instruktioner til sabotører. Derfor vil jeg uden for diskussionen forlade spørgsmålet om at finde resonansfrekvensen for en bestemt centrifuge (den er individuel for hver centrifuge). Af samme grund vil jeg ikke beskrive metoden til "fin" justering, når det er nødvendigt at afbalancere på grænsen til at udløse nødbeskyttelsen mod vibrationer.
Disse opgaver løses gennem softwaretilgængelige udgangsspændingsstrømssensorer installeret i frekvensomformere. Tag mit ord for det - det er ganske realiserbart, det er bare algoritmerne.
Igen om ulykken ved Sayano-Shushenskaya HPP
I den foregående artikel blev det antaget, at ulykken på vandkraftværket blev forårsaget på samme måde (ved resonansmetoden) som på et uranberigelsesanlæg i Iran ved hjælp af særlig software.
Dette betyder naturligvis ikke, at den samme Stuxnet -virus kørte hist og her, selvfølgelig ikke. Det samme fysiske princip om objektødelæggelse virkede - en kunstigt fremkaldt resonans af en mekanisk struktur.
Tilstedeværelsen af resonans indikeres ved tilstedeværelsen af uskruede møtrikker til fastgørelse af mølledækslet og aflæsningerne af den eneste sensor for aksial vibration, der virkede på ulykkestidspunktet.
Under hensyntagen til sammenfaldet af tiden og årsagerne til HPP -ulykken med sabotage på det iranske uranberigelsesanlæg slukkede det kontinuerlige vibrationsstyringssystem på ulykkestidspunktet, driften af enheden under kontrol af automatisk styresystem af turbinenheden, kan det antages, at resonansen ikke var et utilsigtet fænomen, men en menneskeskabt.
Hvis denne antagelse er korrekt, krævede opgaven med at ødelægge turbinenheden, i modsætning til situationen med gascentrifuger, manuel indgriben. Det udstyr, der var tilgængeligt på HPP, tillod ikke sabotagesoftwaren automatisk at registrere den enkelte resonansfrekvens og derefter holde vibrationerne i nødstilstanden uden at udløse nødsensorerne.
På det vandkraftværk krævede sabotagesoftwares arbejde brug af den "menneskelige faktor". Nogen måtte på en eller anden måde slukke for vibrationsstyringsserveren, og før det overføre parametrene for resonanserne til en bestemt turbineenhed til udviklerne af sabotagesoftwaren, som blev fjernet fra den seks måneder før ulykken under en planlagt reparation.
Resten var et spørgsmål om teknik.
Ingen grund til at tænke på, at resonansen opstod i selve turbinerotoren, naturligvis ikke. Resonansen af vandlaget, mættet med elastiske kavitationshulrum, der er placeret mellem turbinrotoren og styreskovlene, blev forårsaget.
På en forenklet måde kan man forestille sig en sådan analogi, i bunden er der en fjeder af kavitationshulrum mellem turbinrotoren og styrevingernes blade, og denne kilde understøttes af en søjle af hundrede meter høj. Det viser sig at være et ideelt oscillerende kredsløb. At svinge et sådant pendulsystem er en meget reel opgave.
Det er på grund af denne resonans ALLE styreskovlens knive blev brudt, og ikke mekanisk, fra stød, men brudt af en dynamisk belastning. Her er et foto af disse knuste knive, der er ingen spor af mekanisk stød på deres overflader:
De knuste knive på føreskovlene blokerede turbinens afløbshul, og det var fra denne uforudsete omstændighed, at ulykken begyndte at udvikle sig til en katastrofe.
Turbinerotoren lignede en supertanker -propel og begyndte at rotere i en "lukket dåse vand" med en masse på halvandet tusinde tons og en rotationshastighed på 150 omdr./min. I møllens arbejdsområde blev der skabt et sådant overtryk af vand, at låget blev revet af, og selve møllen fløj ifølge øjenvidner sammen med generatorens rotor (en kolos på 1.500 tons) op til loftet i turbinehallen.
Hvad var videre kendt for alle.
