Detta är den andra artikeln om ämnet att använda resonanser för att förstöra fysiska föremål.
Den första artikeln "Det ryska fotavtrycket för Stuxnet -viruset" var inledande och var avsett för en bred lekmassa.
Det är dags att bekanta dig med denna metod i detalj, och först titta på videon med ett visuellt exempel på resonans, efter det tror jag att artikelns ämne kommer att bli tydligare, eftersom det är bättre att se en gång än att läsa hundra gånger…
Här är en video:
Här är en till:
Så snälla behandla resonans med respekt.
Så känd, okänd för Stuxnet
Det världsberömda Stuxnet -viruset har nu förvandlats till en slags skräckhistoria, alla vet om det, men ingen förstår helt hur han lyckades i hemlighet förstöra centrifuger för urananrikning i två år. Detta är inte ens sabotage, utan en mer sofistikerad metod för sabotage - sabotage.
Tänk bara under två år, hundratals centrifuger bryts ständigt ner, alla produktionsscheman störs, specialister kallas "på öronen" och kan inte göra någonting förrän ett meddelande kommer från Vitryssland om upptäckt av ett virus, kampbelastning var uppdateringsmodulerna för den interna programvaran för industriell automatisering från Siemens.
Därefter fick detta virus namnet Stuxnet. Vi räknade ut infektionsmetoden som används, med metoder för dess penetrering till kärnnivån och metoden för att spricka lösenordsskyddet för Simatic S7 -kontroller i det lokala nätverket. Vi förstod något av vad den virusuppdaterade firmware för centrifuggruppsstyrenheten gör.
Men ingen har ännu förklarat den fysiska metoden för att inaktivera utrustning i denna sabotageaktion. Därför kommer vi själva att försöka lista ut denna viktigaste gåta.
Vad vet vi
Här är denna Simatic S7 -styrenhet monterad med perifera moduler:
Själva mikroprocessorenheten är en låda med en blå nyckel, allt annat är kringutrustning. Mikrokontrollerprogramvaran (ett särskilt STEP 7 -tolkspråk används) finns i det interna flashminnet. Uppdatering av programvaran och den fasta programvaran för själva styrenheten sker via nätverket eller fysiskt via en flyttbar flash -enhet. Sådana styrenheter var gruppkontrollanordningar för 31 gaskentrifuger samtidigt.
Men de bröt direkt centrifuger genom andra enheter, - en frekvensomvandlare för att driva en elmotor, ungefär så här:
Så här ser frekvensomvandlare (omvandlare) för asynkrona elmotorer med olika effekt ut. Namnet antyder det funktionella syftet med denna enhet, det omvandlar spänningen i ett standardnätverk (tre faser 360V) till en trefasspänning med en annan frekvens och en annan klassificering. Spänningskonvertering styrs av signaler från nätverket, eller ställs in manuellt från kontrollpanelen.
En Simatic S7 -styrenhet styrde omedelbart en grupp (31 enheter) av frekvensomformare, det var en gruppstyrenhet för 31 centrifuger.
Som specialisterna fick reda på var Semantics i programvaran för gruppkontrollkontrollen kraftigt modifierad av Stuxnet -viruset, och de ansåg att gruppkontrollkommandon utfärdades till frekvensomformare av den modifierade programvaran i Simatic S7 -styrenheten som den direkta orsaken till centrifugnedbrytningar.
Programvaran för styrenheten som modifierats av viruset ändrade driftfrekvensen för varje frekvensomformare i 15 minuter en gång under ett fem timmars intervall och följaktligen rotationshastigheten för den centrifugelektriska motorn som är ansluten till den.
Så här beskrivs det i en studie av Semantic:
Således ändras motorns hastighet från 1410Hz till 2Hz till 1064Hz och sedan igen. Minns den normala driftsfrekvensen vid denna tidpunkt antas vara mellan 807 Hz och 1210 Hz.
Så motorhastigheten ändras från 1410Hz i 2Hz -steg till 1064Hz och vänder sedan tillbaka. Som en påminnelse hölls den normala driftsfrekvensen vid denna tid mellan 807 Hz och 1210 Hz.
Och Semantic avslutar på grundval av detta:
Således saboterar Stuxnet systemet genom att sakta ner eller påskynda motorn till olika hastigheter vid olika tidpunkter
(Således saboterar Stuxnet systemet genom att sakta ner eller accelerera motorn till olika hastigheter vid olika tidpunkter.)
För moderna programmerare som bara kan fysik och elektroteknik i gymnasieskolan är det nog tillräckligt, men för mer kompetenta specialister är en sådan förklaring inte konsekvent. En förändring av centrifugrotorns rotationshastighet inom det tillåtna intervallet och ett kortsiktigt överskridande av driftsfrekvensen med 200 Hz (cirka 15%) från det nominella värdet i sig kan inte leda till massiva utrustningsstörningar.
Några tekniska detaljer
Så här ser en kaskad av gascentrifuger för produktion av berikat uran ut:
Det finns dussintals sådana kaskader vid anrikningsanläggningar för uran, det totala antalet centrifuger överstiger 20-30 tusen …
Centrifugen i sig är en ganska enkel enhet i design, här är dess schematiska ritning:
Men denna konstruktiva enkelhet bedrar, faktum är att rotorn i en sådan centrifug, cirka två meter lång, roterar med en hastighet av cirka 50 000 rpm. Att balansera en rotor med en komplex rumslig konfiguration, nästan två meter lång, är en mycket svår uppgift.
Dessutom krävs särskilda metoder för rotorsuspension i lager; för detta används speciella flexibla nållager, komplett med en komplex självjusterande magnetisk upphängning.
För tillförlitligheten hos gascentrifuger är huvudproblemet resonansen hos den mekaniska strukturen, som är associerad med vissa rotationshastigheter hos rotorn. Gascentrifuger kategoriseras till och med på denna grund. En centrifug som arbetar med en rotorhastighet ovanför den resonanta kallas superkritisk, under - subkritisk.
Tänk inte att rotorhastigheten är mekanisk resonansfrekvens. Ingenting av den typen, mekanisk resonans är relaterat till centrifugrotorns rotationshastighet genom mycket komplexa förhållanden. Resonansfrekvensen och rotorhastigheten kan variera med en storleksordning.
Till exempel är en typisk resonansyta för en centrifug en frekvens i intervallet 10Hz-100Hz, medan rotorhastigheten är 40-50 tusen rpm. Dessutom är resonansfrekvensen inte en fast parameter, utan en flytande, den beror på centrifugens nuvarande driftsätt (komposition, gastemperatur densitet i första hand) och motreaktion i rotorupphängningsstrukturen.
Utrustningsutvecklarens huvuduppgift är att förhindra att centrifugen fungerar i ökade vibrationssätt (resonanser); för detta, automatiska nödblockeringssystem för vibrationsnivå (töjningsmätare), drift vid rotorhastigheter som orsakar resonans hos den mekaniska strukturen (varvräknare), ökade strömbelastningar på motorn (strömskydd).
Nödsystem kombineras aldrig med utrustning som ansvarar för installationens normala drift, de är separata, vanligtvis mycket enkla elektromekaniska system för att stoppa arbetet (helt enkelt nödströmbrytare). Så du kan inte inaktivera och omkonfigurera dem programmatiskt.
Kollegor från USA och Israel var tvungna att lösa en helt icke -trivial uppgift, - förstör centrifugen utan att utlösa säkerhetsautomaten.
Och nu om det okända hur det gjordes
Med lätt hand från översättarna av det vetenskapliga centret "NAUTSILUS", som översatte forskningen från Symantik -specialisterna till ryska, hade många specialister som inte läste Symantik -rapporten i originalet uppfattningen att olyckan orsakades av driftspänningen frekvens reducerad till 2 Hz till centrifugelektromotorn.
Detta är inte fallet, rätt översättning ges i början av artikeln.
Och i princip är det omöjligt att minska frekvensen för matningsspänningen för en höghastighetsinduktionsmotor till 2Hz. Även en kortvarig försörjning av en sådan lågfrekvent spänning till lindningarna kommer att orsaka kortslutning i lindningarna och utlösa strömskydd.
Allt gjordes mycket smartare.
Metoden för excitation av resonans i elektromekaniska system som beskrivs nedan kan hävda att den är ny, och jag anses vara dess upphovsman, men den används troligen redan av författarna till Stuxnet -viruset, så tyvärr är det bara att plagiera…
Och ändå förklarar jag på mina fingrar, samtidigt som jag genomför ett utbildningsprogram om fysikens grunder. Tänk dig en massiv last, säg ett ton, hängande på en kabel, låt oss säga 10 meter lång. Vi har fått den enklaste pendeln med sin egen resonansfrekvens.
Antag vidare att du vill svänga den med ditt lillfinger, med en ansträngning på 1 kg. Ett enda försök ger inget synligt resultat.
Detta betyder att du måste trycka på den upprepade gånger, applicera en insats på 1 kg på den, säg 1000 gånger, då kan vi anta att en sådan multipel insats totalt kommer att motsvara en enda applicering av en insats per ton, detta är ganska tillräckligt för att svänga en sådan pendel.
Och så ändrar vi taktik, och vi börjar upprepade gånger trycka på den upphängda lasten med vårt lillfinger, varje gång vi anstränger oss på 1 kg. Vi kommer inte att lyckas igen, för vi kan inte fysik …
Och om de visste, beräknade de först pendelns pendlingsperiod (vikten är absolut oviktig, fjädringen är 10 meter, tyngdkraften är 1g) och började trycka på belastningen med denna period med lillfingret. Formeln är välkänd:
På 10-20 minuter skulle denna pendel som vägde ett ton svänga så att "mamma inte gråter".
Dessutom är det inte nödvändigt att trycka med lillfingret på varje pendelkvalitet; detta kan göras en eller två gånger, och även efter hundra svängningar av pendeln. Det är bara det att uppbyggnadstiden kommer att öka proportionellt, men uppbyggnadseffekten kommer att bevaras helt.
Och ändå kommer jag att överraska människor som kan fysik och matematik i gymnasieskolan (kunskapsnivån hos en typisk modern programmerare), oscillationsperioden för en sådan pendel beror inte på oscillationsamplituden, sväng den med en millimeter eller en meter från vilopunkten kommer pendlingstiden och följaktligen pendelns oscillationsfrekvens att vara konstant.
Varje rumslig struktur har inte ens en, utan flera resonansfrekvenser; i själva verket finns det flera sådana penduler i den. Gascentrifuger har på grund av sina tekniska egenskaper en så kallad huvudresonansfrekvens med hög kvalitetsfaktor (de ackumulerar effektivt vibrationsenergi).
Det återstår bara att svänga gascentrifugen med ett finger vid resonansfrekvensen. Det är naturligtvis ett skämt, om det finns en elmotor med ett automatiskt styrsystem, kan samma sak göras mycket mer omärkligt.
För att göra detta måste du öka / minska hastigheten på elmotorn i ryck (som viruset gjorde vid 2 Hz) och ge dessa ryck med resonansfrekvensen för centrifugens mekaniska struktur.
Med andra ord är det nödvändigt att förse motorn med frekvensen av mekanisk resonans med hjälp av en frekvensspänningsomvandlare med variabel frekvens. Kraftmomentet som inträffar i motorn när frekvensen för matningsspänningsändringar kommer att överföras till huset med frekvensen av mekanisk resonans och gradvis kommer resonansoscillationerna att nå en nivå vid vilken installationen kommer att börja kollapsa
Frekvensfluktuationer nära ett visst medelvärde kallas "beats", detta är en standardeffekt av valfri frekvensomvandlare, frekvensen, som de säger, "går" inom vissa gränser, vanligtvis inte mer än tiondelar av den nominella. Sabotörerna förklädda till dessa naturliga frekvensslag, sina egna, artificiellt introducerade, modulering av elmotorns frekvens och synkroniserade den med frekvensen av mekanisk resonans hos centrifugens rumsliga struktur.
Jag kommer inte att gå in på ämnet längre, annars kommer jag att anklagas för att ha skrivit steg-för-steg-instruktioner för sabotörer. Därför kommer jag utanför diskussionen att lämna frågan om att hitta resonansfrekvensen för en viss centrifug (den är individuell för varje centrifug). Av samma anledning kommer jag inte att beskriva metoden för "fin" justering, när det är nödvändigt att balansera på gränsen till att utlösa nödskyddet mot vibrationer.
Dessa uppgifter löses genom de programvarutillgängliga utspänningsströmssensorerna installerade i frekvensomformare. Ta mitt ord för det - det här är ganska realiserbart, det är bara algoritmerna.
Återigen om olyckan vid Sayano-Shushenskaya HPP
I föregående artikel antogs det att olyckan vid vattenkraftverket orsakades på samma sätt (med resonansmetoden) som vid en urananrikningsanläggning i Iran, med hjälp av speciell programvara.
Detta betyder naturligtvis inte att samma Stuxnet -virus fungerade här och där, naturligtvis inte. Samma fysiska princip för objektförstörelse fungerade - en artificiellt inducerad resonans av en mekanisk struktur.
Närvaron av resonans indikeras av närvaron av oskruvade muttrar för att fästa turbinkåpan och avläsningarna av den enda sensorn för axiell vibration som fungerade vid olyckstillfället.
Med hänsyn tagen till tidens och orsakerna till HPP -olyckan med sabotage vid den iranska anrikningsanläggningen för uran, stängdes systemet för kontinuerlig vibration av vid olyckstillfället, driften av enheten under kontroll av automatiskt styrsystem för turbinenheten, kan det antas att resonansen inte var ett oavsiktligt fenomen, utan en konstgjord.
Om detta antagande är korrekt, krävde uppgiften att förstöra turbinenheten manuellt ingripande, till skillnad från situationen med gascentrifuger. Utrustningen som finns på HPP tillät inte sabotageprogrammet att automatiskt detektera den enskilda resonansfrekvensen och sedan hålla vibrationerna i nödläget utan att utlösa nödsensorerna.
Vid vattenkraftverket krävde arbetet med sabotagemjukvara användning av den "mänskliga faktorn". Någon måste på något sätt stänga av vibrationsstyrservern, och innan dess överförde parametrarna för resonanserna till en viss turbinenhet till utvecklarna av sabotageprogrammet, som togs bort från den sex månader före olyckan under en planerad reparation.
Resten var en teknikfråga.
Inget behov av att tro att resonansen inträffade i själva turbinrotorns kropp, naturligtvis inte. Resonansen hos vattenskiktet, mättat med elastiska kavitationshålrum, beläget mellan turbinrotorn och styrskovlarna, orsakades.
På ett förenklat sätt kan man föreställa sig en sådan analogi, längst ner finns en fjäder av kavitationshålrum mellan turbinrotorn och styrskovlarnas blad, och denna fjäder stöds av en vattenkolonn som är hundra meter hög. Det visar sig vara en idealisk oscillerande krets. Att svänga ett sådant pendelsystem är en mycket verklig uppgift.
Det är på grund av denna resonans ALLT styrskovlarnas blad bröts, och inte mekaniskt, från stötar, men bröts av en dynamisk belastning. Här är ett foto av dessa trasiga blad, det finns inga spår av mekanisk stöt på deras ytor:
Styrskovlarnas trasiga blad blockerade turbinens dräneringshål, och det var av denna oförutsedda omständighet som olyckan började utvecklas till en katastrof.
Turbinrotorn liknade en supertankerpropeller och började rotera i en "sluten burk vatten" med en massa på ett och ett halvt tusen ton och en rotationshastighet på 150 rpm. I turbinens arbetsområde skapades ett sådant övertryck av vatten att locket revs av och själva turbinen, enligt ögonvittnen, tillsammans med generatorns rotor (en koloss på 1500 ton) flög upp till taket i turbinhallen.
Vad var vidare känt för alla.
