To już drugi artykuł na temat wykorzystania rezonansów do niszczenia obiektów fizycznych.
Pierwszy artykuł „Rosyjski ślad wirusa Stuxnet” miał charakter wprowadzający i był przeznaczony dla szerokiej publiczności.
Czas szczegółowo zapoznać się z tą metodą i najpierw obejrzyj wideo z wizualnym przykładem rezonansu, potem myślę, że temat artykułu stanie się jaśniejszy, ponieważ lepiej raz zobaczyć niż przeczytać sto razy. …
Oto wideo:
Oto kolejny:
Więc proszę, traktuj rezonans z szacunkiem.
Tak sławny, nieznany Stuxnetowi
Znany na całym świecie wirus Stuxnet przekształcił się do tej pory w rodzaj horroru, wszyscy o tym wiedzą, ale nikt w pełni nie rozumie, jak udało mu się potajemnie zniszczyć wirówki w celu wzbogacenia uranu przez dwa lata. To nie jest nawet sabotaż, ale bardziej wyrafinowana metoda sabotażu - sabotaż.
Wystarczy pomyśleć w ciągu dwóch lat, setki wirówek ciągle się psują, wszystkie harmonogramy produkcyjne są zakłócone, specjaliści są nazywani „na uszach” i nie mogą nic zrobić, dopóki nie nadejdzie wiadomość z Białorusi o wykryciu wirusa, obciążeniem bojowym była aktualizacja modułów wewnętrznego oprogramowania automatyki przemysłowej firmy Siemens.
Następnie wirus ten został nazwany Stuxnet. Ustaliliśmy stosowaną metodę infekcji, metody jej penetracji do poziomu jądra oraz metodę łamania hasła ochrony kontrolerów Simatic S7 w sieci lokalnej. Zrozumieliśmy coś z tego, co robi zaktualizowane przez wirusy oprogramowanie układowe kontrolera grupy wirówek.
Ale nikt jeszcze nie wyjaśnił fizycznej metody wyłączania sprzętu w tym akcie sabotażu. Dlatego sami spróbujemy rozwiązać tę najważniejszą zagadkę.
Co wiemy
Oto sterownik Simatic S7 zmontowany z modułami peryferyjnymi:
Sama jednostka mikroprocesorowa to pudełko z niebieskim kluczem, wszystko inne to peryferia. Oprogramowanie mikrokontrolera (wykorzystywany jest specjalny język interpretera STEP 7) znajduje się w wewnętrznej pamięci flash. Aktualizacja oprogramowania i oprogramowania układowego samego kontrolera odbywa się za pośrednictwem sieci lub fizycznie za pomocą wymiennego dysku flash. Takie sterowniki były urządzeniami do sterowania grupowego dla 31 wirówek gazowych jednocześnie.
Ale bezpośrednio uszkodzili wirówki przez inne urządzenia, - przetwornicę częstotliwości do obsługi silnika elektrycznego, w przybliżeniu w następujący sposób:
Tak wyglądają przemienniki częstotliwości (przetwornice) do asynchronicznych silników elektrycznych o różnych mocach. Nazwa wskazuje na funkcjonalne przeznaczenie tego urządzenia, zamienia ono napięcie sieci standardowej (trzy fazy 360V) na napięcie trójfazowe o innej częstotliwości i innej wartości znamionowej. Konwersja napięcia jest sterowana sygnałami z sieci lub ustawiana ręcznie z panelu sterowania.
Jeden sterownik Simatic S7 od razu sterował grupą (31 urządzeń) przemienników częstotliwości, był to sterownik grupowy dla 31 wirówek.
Jak dowiedzieli się specjaliści, Semantyka oprogramowania sterownika sterowania grupowego została mocno zmodyfikowana przez wirusa Stuxnet, a za bezpośrednią przyczynę awarii wirówki uznali wydawanie poleceń sterowania grupowego do przemienników częstotliwości przez zmodyfikowane oprogramowanie sterownika Simatic S7..
Zmodyfikowane przez wirusa oprogramowanie urządzenia sterującego zmieniało częstotliwość pracy każdego przemiennika częstotliwości na 15 minut raz w pięciogodzinnej przerwie, a tym samym prędkość obrotową podłączonego do niego silnika elektrycznego wirówki.
Tak to opisano w opracowaniu Semantic:
W ten sposób prędkość silnika jest zmieniana z 1410 Hz na 2 Hz do 1064 Hz, a następnie ponownie. Przypomnijmy, że normalna częstotliwość robocza w tym czasie powinna wynosić od 807 Hz do 1210 Hz.
Tak więc prędkość silnika zmienia się z 1410 Hz w krokach co 2 Hz do 1064 Hz, a następnie cofa się. Przypominamy, że normalna częstotliwość robocza w tym czasie utrzymywała się między 807 Hz a 1210 Hz.
A Semantic konkluduje na tej podstawie:
W ten sposób Stuxnet sabotuje system, spowalniając lub przyspieszając silnik do różnych prędkości w różnym czasie
(W ten sposób Stuxnet sabotuje system, spowalniając lub przyspieszając silnik do różnych prędkości w różnym czasie.)
Dla współczesnych programistów, którzy znają fizykę i elektrotechnikę tylko w tomie szkoły średniej, to prawdopodobnie wystarczy, ale dla bardziej kompetentnych specjalistów takie wyjaśnienie nie jest spójne. Sama zmiana prędkości obrotowej wirnika wirówki w dopuszczalnym zakresie i krótkotrwałe przekroczenie częstotliwości pracy o 200 Hz (ok. 15%) od wartości nominalnej nie może prowadzić do poważnych awarii urządzeń.
Niektóre szczegóły techniczne
Tak wygląda kaskada wirówek gazowych do produkcji wzbogaconego uranu:
W zakładach wzbogacania uranu są dziesiątki takich kaskad, łączna liczba wirówek przekracza 20-30 tys.
Sama wirówka jest dość prostym urządzeniem, oto jej schematyczny rysunek:
Ale ta konstruktywna prostota myli, faktem jest, że wirnik takiej wirówki o długości około dwóch metrów obraca się z prędkością około 50 000 obr./min. Wyważenie wirnika o złożonej konfiguracji przestrzennej, długości prawie dwóch metrów, to bardzo trudne zadanie.
Ponadto wymagane są specjalne metody zawieszenia wirnika w łożyskach, w tym celu stosuje się specjalne elastyczne łożyska igiełkowe wraz ze złożonym samonastawnym zawieszeniem magnetycznym.
Dla niezawodności wirówek gazowych głównym problemem jest rezonans konstrukcji mechanicznej, który jest związany z pewnymi prędkościami obrotu wirnika. Na tej podstawie klasyfikuje się nawet wirówki gazowe. Wirówka pracująca przy prędkości wirnika powyżej rezonansowej nazywana jest nadkrytyczną, poniżej – podkrytyczną.
Nie myśl, że prędkość wirnika to częstotliwość rezonansu mechanicznego. Nic podobnego, rezonans mechaniczny nie jest związany z prędkością obrotową wirnika wirówki poprzez bardzo złożone zależności. Częstotliwość rezonansowa i prędkość wirnika mogą się różnić o rząd wielkości.
Przykładowo typowym obszarem rezonansowym wirówki jest częstotliwość w zakresie 10Hz-100Hz, natomiast prędkość wirnika to 40-50 tys. obr/min. Dodatkowo częstotliwość rezonansowa nie jest parametrem stałym, lecz pływającym, zależy od aktualnego trybu pracy wirówki (skład, gęstość temperatury gazu w pierwszej kolejności) oraz luzu w konstrukcji zawieszenia wirnika.
Głównym zadaniem konstruktora sprzętu jest zapobieganie pracy wirówki w trybach o podwyższonych wibracjach (rezonansach), w tym celu automatyczne awaryjne układy blokujące poziom wibracji (tensometry), praca przy prędkościach wirnika powodujących rezonans konstrukcji mechanicznej (tachometry).), zwiększone obciążenia prądowe silnika (zabezpieczenie prądowe).
Systemy awaryjne nigdy nie są łączone z urządzeniami odpowiedzialnymi za normalną pracę instalacji, stanowią oddzielne, zwykle bardzo proste elektromechaniczne systemy zatrzymania pracy (po prostu wyłączniki awaryjne). Dlatego nie można ich programowo wyłączyć i ponownie skonfigurować.
Koledzy z USA i Izraela musieli rozwiązać zupełnie nietrywialne zadanie, - zniszczyć wirówkę bez uruchamiania automatyki bezpieczeństwa.
A teraz o nieznanym, jak to zostało zrobione
Lekką ręką tłumaczy ośrodka naukowego „NAUTSILUS”, którzy przetłumaczyli badania specjalistów Symantik na język rosyjski, wielu specjalistów, którzy nie czytali raportu Symantik w oryginale, miało opinię, że wypadek był spowodowany napięciem roboczym częstotliwość zredukowana do 2Hz dla silnika elektrycznego wirówki.
Tak nie jest, poprawne tłumaczenie podane jest na początku tekstu artykułu.
I w zasadzie niemożliwe jest zmniejszenie częstotliwości napięcia zasilania szybkoobrotowego silnika indukcyjnego do 2 Hz. Nawet krótkotrwałe podanie napięcia o tak niskiej częstotliwości do uzwojeń spowoduje zwarcie w uzwojeniach i zadziała zabezpieczenie prądowe.
Wszystko zostało zrobione znacznie mądrzej.
Opisana poniżej metoda wzbudzania rezonansu w układach elektromechanicznych mogłaby twierdzić, że jest nowa i jestem uważany za jej autora, ale najprawdopodobniej jest już używana przez autorów wirusa Stuxnet, więc niestety pozostaje tylko do plagiatu…
A jednak tłumaczę na palcach, prowadząc jednocześnie program edukacyjny z podstaw fizyki. Wyobraź sobie ogromny ładunek, powiedzmy tonę, wiszący na kablu o długości powiedzmy 10 metrów. Uzyskaliśmy najprostsze wahadło z własną częstotliwością rezonansową.
Załóżmy dalej, że chcesz machać nim małym palcem, przykładając wysiłek 1 kg. Pojedyncza próba nie przyniesie żadnego widocznego rezultatu.
Oznacza to, że trzeba go pchać wielokrotnie, przykładając do niego wysiłek 1 kg, powiedzmy 1000 razy, wtedy możemy założyć, że taki wielokrotny wysiłek będzie w sumie równoznaczny z pojedynczym zastosowaniem wysiłku na tonę, to jest całkiem wystarczy, żeby huśtać się takim wahadełkiem.
I tak zmieniamy taktykę i zaczynamy kilkakrotnie pchać zawieszony ładunek małym palcem, za każdym razem z wysiłkiem 1 kg. Znowu nam się nie uda, bo fizyki nie znamy…
A gdyby wiedzieli, to najpierw obliczyliby okres oscylacji wahadła (waga jest absolutnie nieistotna, zawieszenie ma 10 metrów, siła grawitacji wynosi 1 g) i zaczęli popychać ładunek w tym okresie małym palcem. Formuła jest dobrze znana:
W ciągu 10-20 minut to wahadło ważące tonę będzie się kołysać tak, że „mama nie płacze”.
Co więcej, nie jest konieczne naciskanie małym palcem na każdą cechę wahadła, można to zrobić raz lub dwa, a nawet po stu ruchach wahadła. Tyle, że czas narastania wzrośnie proporcjonalnie, ale efekt narastania zostanie całkowicie zachowany.
A jednak zaskoczę osoby znające fizykę i matematykę w tomie gimnazjum (poziom wiedzy typowego współczesnego programisty), okres drgań takiego wahadła nie zależy od amplitudy drgań, przechylić go o milimetr lub metr od punktu spoczynku, okres drgań i odpowiednio częstotliwość drgań wahadła będą stałe.
Każda struktura przestrzenna ma nie jedną, ale kilka częstotliwości rezonansowych, w rzeczywistości jest w niej kilka takich wahadeł. Wirówki gazowe ze względu na swoje właściwości techniczne posiadają tzw. główną częstotliwość rezonansową o wysokim współczynniku jakości (skutecznie akumulują energię drgań).
Pozostaje tylko kołysać wirówką gazową palcem z częstotliwością rezonansową. To oczywiście żart, jeśli jest silnik elektryczny z automatycznym systemem sterowania, to to samo można zrobić znacznie mniej zauważalnie.
W tym celu należy gwałtownie zwiększać / zmniejszać prędkość silnika elektrycznego (tak jak zrobił to wirus przy 2 Hz) i wydać te szarpnięcia z częstotliwością rezonansową struktury mechanicznej wirówki.
Innymi słowy konieczne jest zasilenie silnika częstotliwością rezonansu mechanicznego za pomocą przetwornicy częstotliwości napięcia o zmiennej częstotliwości. Moment siły, który występuje w silniku, gdy zmienia się częstotliwość napięcia zasilającego, zostanie przeniesiony na obudowę z częstotliwością rezonansu mechanicznego i stopniowo drgania rezonansowe osiągną poziom, przy którym instalacja zacznie się zapadać
Wahania częstotliwości w pobliżu pewnej średniej wartości nazywane są „uderzeniami”, jest to standardowy efekt każdej przetwornicy częstotliwości, częstotliwość, jak mówią, „chodzi” w pewnych granicach, zwykle nie więcej niż dziesiąte części procenta nominalnej. Sabotażyści przebrali się za te naturalne uderzenia częstotliwości, własną, sztucznie wprowadzoną, modulację częstotliwości silnika elektrycznego i zsynchronizowali ją z częstotliwością rezonansu mechanicznego struktury przestrzennej wirówki.
Nie będę już wchodzić w temat, bo inaczej będę oskarżany o pisanie instrukcji krok po kroku dla sabotażystów. Dlatego poza dyskusją zostawię kwestię znalezienia częstotliwości rezonansowej dla konkretnej wirówki (jest ona indywidualna dla każdej wirówki). Z tego samego powodu nie będę opisywał metody „dokładnej” regulacji, gdy trzeba balansować na granicy zadziałania awaryjnej ochrony przed drganiami.
Zadania te są rozwiązywane za pomocą dostępnego oprogramowania czujników napięcia wyjściowego prądu zainstalowanego w przemiennikach częstotliwości. Uwierz mi na słowo - to całkiem możliwe, to tylko algorytmy.
Znowu o wypadku w Sayano-Shushenskaya HPP
W poprzednim artykule postawiono hipotezę, że awaria w elektrowni wodnej została spowodowana w taki sam sposób (metodą rezonansową), jak w zakładzie wzbogacania uranu w Iranie, przy użyciu specjalnego oprogramowania.
Nie oznacza to oczywiście, że ten sam wirus Stuxnet działał tu i tam, oczywiście, że nie. Działała ta sama fizyczna zasada niszczenia obiektów - sztucznie wywołany rezonans konstrukcji mechanicznej.
Na obecność rezonansu wskazuje obecność odkręconych nakrętek do mocowania pokrywy turbiny oraz odczyty jedynego czujnika drgań osiowych, który pracował w czasie wypadku.
Biorąc pod uwagę zbieżność czasu i przyczyn wypadku HPP z faktem sabotażu w irańskiej wytwórni wzbogacania uranu, w chwili wypadku wyłączono system ciągłej kontroli drgań, pracę jednostki pod kontrolą automatycznego sterowania zespołem turbiny można przyjąć, że rezonans nie był zjawiskiem przypadkowym, lecz wywołanym przez człowieka.
Jeśli to założenie jest słuszne, to w przeciwieństwie do wirówek gazowych zadanie zniszczenia zespołu turbiny wymagało ręcznej interwencji. Sprzęt dostępny w HPP nie pozwalał oprogramowaniu sabotażowemu na automatyczne wykrywanie indywidualnej częstotliwości rezonansowej, a następnie utrzymywanie drgań w trybie awaryjnym bez wyzwalania czujników awaryjnych.
W elektrowni wodnej praca oprogramowania sabotażowego wymagała użycia „czynnika ludzkiego”. Ktoś musiał jakoś wyłączyć serwer kontroli drgań, a wcześniej przekazać twórcom oprogramowania sabotażowego parametry rezonansów konkretnego zespołu turbiny, które zostały z niego usunięte na sześć miesięcy przed wypadkiem podczas zaplanowanej naprawy.
Reszta była kwestią techniki.
Nie trzeba myśleć, że rezonans wystąpił w samym korpusie wirnika turbiny, oczywiście, że nie. Wywołano rezonans warstwy wody, nasyconej elastycznymi wnękami kawitacyjnymi, znajdującej się pomiędzy wirnikiem turbiny a łopatkami kierującymi.
W uproszczeniu można sobie wyobrazić taką analogię, na dole znajduje się sprężyna wykonana z wnęk kawitacyjnych pomiędzy wirnikiem turbiny a łopatkami łopatek kierujących, a sprężyna ta jest podtrzymywana przez stumetrowy słup wody. Okazuje się, że jest to idealny obwód oscylacyjny. Kołysanie takim systemem wahadłowym jest bardzo realnym zadaniem.
To z powodu tego rezonansu WSZYSTKO Łopatki łopatek kierujących zostały złamane, a nie mechanicznie, od uderzeń, ale złamane przez obciążenie dynamiczne. Oto zdjęcie tych złamanych ostrzy, na ich powierzchni nie ma śladów mechanicznego wstrząsu:
Połamane łopatki łopatek kierujących zablokowały otwór spustowy turbiny i to z tej nieprzewidzianej okoliczności wypadek zaczął przeradzać się w katastrofę.
Wirnik turbiny przypominał śmigło supertankowca i zaczął się obracać w „zamkniętej puszce z wodą” o masie półtora tysiąca ton i prędkości obrotowej 150 obr./min. W obszarze roboczym turbiny powstało takie nadciśnienie wody, że oderwała się pokrywa, a sama turbina według naocznych świadków wraz z wirnikiem generatora (kolos 1500 ton) wyleciała do góry strop hali turbin.
Co było dalej znane wszystkim.
