Dette er den andre artikkelen om emnet bruk av resonanser for å ødelegge fysiske objekter.
Den første artikkelen "Det russiske fotavtrykket av Stuxnet -viruset" var innledende og var beregnet på et bredt lagpublikum.
Det er på tide å bli kjent med denne metoden i detalj, og først se videoen med et visuelt eksempel på resonans, etter det tror jeg temaet i artikkelen vil bli tydeligere, fordi det er bedre å se en gang enn å lese hundre ganger…
Her er en video:
Her er en annen:
Så vær så snill å behandle resonans.
Så kjent, ukjent for Stuxnet
Det verdensberømte Stuxnet -viruset har nå blitt til en slags skrekkhistorie, alle vet om det, men ingen forstår fullt ut hvordan han i hemmelighet klarte å ødelegge sentrifuger for uranberikelse i to år. Dette er ikke engang sabotasje, men en mer sofistikert metode for sabotasje - sabotasje.
Bare tenk i løpet av to år, hundrevis av sentrifuger brytes stadig ned, alle produksjonsplaner blir forstyrret, spesialister kalles "på ørene" og kan ikke gjøre noe før det kommer en melding fra Hviterussland om påvisning av et virus, kampbelastning som var oppdateringsmodulene for den interne programvaren for industriell automatisering fra Siemens.
Deretter fikk dette viruset navnet Stuxnet. Vi fant ut hvilken infeksjonsmetode som ble brukt, med metodene for inntrengning til kjernenivå, og metoden for å knekke passordbeskyttelsen til Simatic S7 -kontrollere i det lokale nettverket. Vi forsto noe av hva den virusoppdaterte fastvaren til sentrifugegruppekontrolleren gjør.
Men ingen har ennå forklart den fysiske metoden for å deaktivere utstyr i denne sabotasjegangen. Derfor vil vi selv prøve å finne ut denne viktigste gåten.
Hva vet vi
Her er denne Simatic S7 -kontrolleren montert med perifere moduler:
Selve mikroprosessorenheten er en eske med en blå nøkkel, alt annet er periferiutstyr. Mikrokontrollerprogramvaren (et spesielt STEP 7 -tolkspråk brukes) er plassert i det interne flashminnet. Oppdatering av programvaren og fastvaren til selve kontrolleren skjer via nettverket, eller fysisk, via en flyttbar flash -stasjon. Slike kontrollere var gruppestyringsenheter for 31 gasssentrifuger samtidig.
Men de brøt sentrifuger direkte gjennom andre enheter, - en frekvensomformer for drift av en elektrisk motor, omtrent som følger:
Slik ser frekvensomformere (omformere) for asynkrone elektriske motorer med forskjellige krefter ut. Navnet antyder det funksjonelle formålet med denne enheten, den konverterer spenningen til et standardnettverk (tre faser 360V) til en trefasespenning med en annen frekvens og en annen vurdering. Spenningskonvertering styres av signaler fra nettverket, eller settes manuelt fra kontrollpanelet.
En Simatic S7 -kontroller kontrollerte umiddelbart en gruppe (31 enheter) med frekvensomformere, henholdsvis, det var en gruppestyringsenhet for 31 sentrifuger.
Som spesialistene fant ut, ble Semantics i programvaren for gruppekontrollkontroller sterkt modifisert av Stuxnet -viruset, og de betraktet utstedelse av gruppekontrollkommandoer til frekvensomformere av den modifiserte programvaren til Simatic S7 -kontrolleren som den direkte årsaken til sentrifuger..
Programvaren til kontrollenheten endret av viruset endret driftsfrekvensen til hver frekvensomformer i 15 minutter en gang i løpet av et fem timers intervall, og følgelig rotasjonshastigheten til sentrifugen elektrisk motor som er koblet til den.
Slik er det beskrevet i en studie av Semantic:
Dermed endres motorens hastighet fra 1410Hz til 2Hz til 1064Hz og deretter igjen. Husk at normal driftsfrekvens på dette tidspunktet skal være mellom 807 Hz og 1210 Hz.
Så motorhastigheten endres fra 1410Hz i trinn på 2Hz til 1064Hz og reverserer deretter tilbake. Som en påminnelse ble den normale driftsfrekvensen på dette tidspunktet opprettholdt mellom 807 Hz og 1210 Hz.
Og Semantic konkluderer på grunnlag av dette:
Dermed saboterer Stuxnet systemet ved å bremse eller øke motoren til forskjellige hastigheter til forskjellige tider
(Dermed saboterer Stuxnet systemet ved å bremse eller akselerere motoren til forskjellige hastigheter til forskjellige tider.)
For moderne programmerere som bare kjenner fysikk og elektroteknikk i videregående skole, er dette sannsynligvis nok, men for mer kompetente spesialister er en slik forklaring ikke konsekvent. En endring i sentrifugerotorens rotasjonshastighet innenfor det tillatte området og et kortsiktig overskridelse av driftsfrekvensen med 200 Hz (ca. 15%) fra den nominelle verdien i seg selv kan ikke føre til massive utstyrsbrudd.
Noen tekniske detaljer
Slik ser en kaskade av gasssentrifuger for produksjon av beriket uran ut:
Det er dusinvis av slike kaskader på uranberikingsfabrikker, totalt antall sentrifuger overstiger 20-30 tusen …
Selve sentrifugen er en ganske enkel enhet i design, her er den skjematiske tegningen:
Men denne konstruktive enkelheten lurer, faktum er at rotoren til en slik sentrifuge, omtrent to meter lang, roterer med en hastighet på omtrent 50 000 o / min. Å balansere en rotor med en kompleks romlig konfigurasjon, nesten to meter lang, er en veldig vanskelig oppgave.
I tillegg kreves det spesielle metoder for rotorsuspensjon i lagre; for dette brukes spesielle fleksible nålelagre, komplett med en kompleks selvjusterende magnetisk suspensjon.
For påliteligheten til gasssentrifuger er hovedproblemet resonansen til den mekaniske strukturen, som er forbundet med visse rotasjonshastigheter for rotoren. Gasssentrifuger er til og med kategorisert på dette grunnlaget. En sentrifuge som opererer med en rotorhastighet over den resonante kalles superkritisk, under - subkritisk.
Ikke tro at rotorhastigheten er frekvensen av mekanisk resonans. Ingenting av den slags, mekanisk resonans er relatert til sentrifugerotorens rotasjonshastighet gjennom svært komplekse forhold. Resonansfrekvensen og rotorhastigheten kan variere med en størrelsesorden.
For eksempel er et typisk resonansområde for en sentrifuge en frekvens i området 10Hz-100Hz, mens rotorhastigheten er 40-50 tusen o / min. I tillegg er resonansfrekvensen ikke en fast parameter, men en flytende, den avhenger av sentrifugens nåværende driftsmodus (sammensetning, gastetthetstetthet i utgangspunktet) og tilbakeslag i rotoropphengskonstruksjonen.
Hovedoppgaven til utstyrsutvikleren er å forhindre sentrifugen i å operere i moduser for økt vibrasjon (resonanser); for dette, automatiske nødblokkeringssystemer for vibrasjonsnivå (strekkmålere), drift ved rotorhastigheter som forårsaker resonans av den mekaniske strukturen (turtellere)), økte strømbelastninger på motoren (strømbeskyttelse).
Nødsystemer kombineres aldri med utstyr som er ansvarlig for normal drift av installasjonen, de er separate, vanligvis veldig enkle elektromekaniske systemer for å stoppe arbeidet (bare nødbrytere). Så du kan ikke deaktivere og konfigurere dem på nytt programmatisk.
Kolleger fra USA og Israel måtte løse en helt ikke -triviell oppgave, - ødelegge sentrifugen uten å utløse sikkerhetsautomatikken.
Og nå om det ukjente hvordan det ble gjort
Med lett hånd fra oversetterne til det vitenskapelige senteret "NAUTSILUS", som oversatte forskningen fra Symantik -spesialistene til russisk, hadde mange spesialister som ikke leste Symantik -rapporten i originalen, at ulykken var forårsaket av driftsspenningen frekvens redusert til 2Hz til sentrifugen elektrisk motor.
Dette er ikke tilfelle, den riktige oversettelsen er gitt i begynnelsen av teksten i artikkelen.
Og i prinsippet er det umulig å redusere forsyningsspenningen til en høyhastighets induksjonsmotor til 2Hz. Selv en kortsiktig forsyning av en slik lavfrekvent spenning til viklingene vil forårsake kortslutning i viklingene og utløse strømbeskyttelse.
Alt ble gjort mye smartere.
Metoden for eksitasjon av resonans i elektromekaniske systemer beskrevet nedenfor kan påstå å være ny, og jeg regnes som dens forfatter, men den er mest sannsynlig allerede brukt av forfatterne av Stuxnet -viruset, så det er dessverre bare å plagiere..
Og likevel forklarer jeg på fingrene, samtidig som jeg gjennomfører et utdanningsprogram om det grunnleggende i fysikk. Tenk deg en massiv last, si tonn, hengende på en kabel, la oss si 10 meter lang. Vi har fått den enkleste pendelen med sin egen resonansfrekvens.
Anta videre at du vil svinge den med lillefingeren din, med en innsats på 1 kg. Et enkelt forsøk gir ingen synlige resultater.
Dette betyr at du må skyve den gjentatte ganger, bruke en innsats på 1 kg på den, si 1000 ganger, så kan vi anta at en slik flere anstrengelser totalt vil være ekvivalent med en enkelt påføring av en innsats per tonn, dette er ganske nok til å svinge en slik pendel.
Og så endrer vi taktikk, og vi begynner å skyve den suspenderte lasten gjentatte ganger med lillefingeren, hver gang vi bruker en innsats på 1 kg. Vi vil ikke lykkes igjen, fordi vi ikke kan fysikk …
Og hvis de visste det, ville de først beregne pendelperioden for pendelen (vekten er absolutt uviktig, fjæringen er 10 meter, tyngdekraften er 1g) og begynte å presse lasten med denne perioden med lillefingeren. Formelen er velkjent:
I løpet av 10-20 minutter ville denne pendelen som veide tonn svinge slik at "mamma ikke gråter."
Dessuten er det ikke nødvendig å trykke med lillefingeren på hver pendelkvalitet; dette kan gjøres en eller to ganger, og selv etter hundre svingninger av pendelen. Det er bare det at oppbyggingstiden vil øke proporsjonalt, men oppbyggingseffekten vil bli fullstendig bevart.
Og likevel vil jeg overraske folk som kjenner fysikk og matematikk i videregående skole (kunnskapsnivået til en typisk moderne programmerer), oscillasjonsperioden til en slik pendel er ikke avhengig av oscillasjonsamplituden, sving den med en millimeter eller en meter fra hvilepunktet, vil oscillasjonsperioden og følgelig pendelens frekvens være konstant.
Enhver romlig struktur har ikke engang en, men flere resonansfrekvenser; faktisk er det flere slike pendler i den. Gasssentrifuger har på grunn av deres tekniske egenskaper en såkalt hovedresonansfrekvens med høy kvalitetsfaktor (de akkumulerer effektivt vibrasjonsenergi).
Det gjenstår bare å svinge gass -sentrifugen med en finger ved resonansfrekvensen. Det er selvfølgelig en spøk, hvis det er en elektrisk motor med et automatisk kontrollsystem, kan det samme gjøres mer umerkelig.
For å gjøre dette må du øke / redusere hastigheten til den elektriske motoren i ryk (som viruset gjorde ved 2 Hz) og utstede disse rykkene med resonansfrekvensen til den mekaniske strukturen til sentrifugen.
Med andre ord er det nødvendig å forsyne motoren med mekanisk resonansfrekvens ved hjelp av en frekvensspenningsomformer med variabel frekvens. Kraftøyeblikket som oppstår i motoren når frekvensen av forsyningsspenningendringene vil bli overført til huset med frekvensen av mekanisk resonans og gradvis vil resonanssvingningene nå et nivå der installasjonen vil begynne å kollapse
Frekvensfluktuasjoner nær en viss gjennomsnittlig verdi kalles "beats", dette er en standardeffekt av enhver frekvensomformer, frekvensen, som de sier, "går" innenfor visse grenser, vanligvis ikke mer enn tiendedeler av den nominelle. Sabotørene forkledd som disse naturlige taktene av frekvens, deres egen, kunstig introduserte, modulering av frekvensen til den elektriske motoren og synkroniserte den med frekvensen av mekanisk resonans av sentrifugens romlige struktur.
Jeg skal ikke gå mer inn på temaet, ellers blir jeg anklaget for å ha skrevet trinnvise instruksjoner for sabotører. Derfor, utenfor diskusjonen, vil jeg forlate spørsmålet om å finne resonansfrekvensen for en bestemt sentrifuge (den er individuell for hver sentrifuge). Av samme grunn vil jeg ikke beskrive metoden for "fin" justering, når det er nødvendig å balansere på grensen til å utløse nødvernet mot vibrasjoner.
Disse oppgavene løses gjennom programvarens tilgjengelige utgangsspenningsstrømssensorer installert i frekvensomformere. Ta mitt ord for det - dette er ganske realiserbart, det er bare algoritmene.
Igjen om ulykken ved Sayano-Shushenskaya HPP
I den forrige artikkelen ble det antatt at ulykken ved vannkraftstasjonen ble forårsaket på samme måte (ved resonansmetoden) som ved et urananrikningsanlegg i Iran, ved bruk av spesiell programvare.
Dette betyr selvfølgelig ikke at det samme Stuxnet -viruset opererte her og der, selvfølgelig ikke. Det samme fysiske prinsippet om objektødeleggelse virket - en kunstig indusert resonans av en mekanisk struktur.
Tilstedeværelsen av resonans indikeres av tilstedeværelsen av skruer som er skrudd av for å feste turbindekselet og avlesningene til den eneste sensoren for aksial vibrasjon som fungerte på tidspunktet for ulykken.
Tatt i betraktning at tiden og årsakene til HPP -ulykken var sammenfallende med sabotasje ved det iranske anrikningsanlegget for uran, ble det kontinuerlige vibrasjonskontrollsystemet slått av på tidspunktet for ulykken, driften av enheten under kontroll av automatisk styringssystem for turbinenheten, kan det antas at resonansen ikke var et tilfeldig fenomen, men et menneskeskapt fenomen.
Hvis denne antagelsen er riktig, krevde oppgaven med å ødelegge turbinenheten, i motsetning til situasjonen med gasssentrifuger, manuell inngrep. Utstyret som er tilgjengelig på HPP tillot ikke sabotasjeprogramvaren å automatisk oppdage den enkelte resonansfrekvensen og deretter holde vibrasjonene i nødmodus uten å utløse nødsensorene.
På den vannkraftstasjonen krevde arbeidet med sabotasjeprogramvare bruk av den "menneskelige faktoren". Noen måtte på en eller annen måte slå av vibrasjonskontrollserveren, og før det overførte parametere for resonansene til en bestemt turbinenhet til utviklerne av sabotasjeprogramvaren, som ble fjernet seks måneder før ulykken under en planlagt reparasjon.
Resten var et spørsmål om teknikk.
Du trenger ikke å tro at resonansen skjedde i selve turbinrotorens kropp, selvfølgelig ikke. Resonansen til vannsjiktet, mettet med elastiske kavitasjonshulrom, plassert mellom turbinrotoren og ledeskovlene, ble forårsaket.
På en forenklet måte kan man tenke seg en slik analogi, i bunnen er det en fjær som består av kavitasjonshulrom mellom turbinrotoren og bladene på styrebladene, og denne våren støttes av en vannsøyle på hundre meter høy. Det viser seg en ideell oscillerende krets. Å svinge et slikt pendelsystem er en veldig reell oppgave.
Det er på grunn av denne resonansen ALLE bladene på føringsskovlene ble ødelagt, og ikke mekanisk, av slag, men ødelagt av en dynamisk belastning. Her er et bilde av disse ødelagte bladene, det er ingen spor av mekanisk støt på overflatene:
De ødelagte bladene på føringsskovlene blokkerte avløpshullet til turbinen, og det var fra denne uforutsette omstendigheten at ulykken begynte å utvikle seg til en katastrofe.
Turbinrotoren lignet en supertankerpropell, og begynte å rotere i en "lukket kanne med vann" med en masse på halvannet tusen tonn og en rotasjonshastighet på 150 o / min. I arbeidsområdet til turbinen ble det skapt et slikt overtrykk av vann at lokket ble revet av, og selve turbinen, ifølge øyenvitner, sammen med rotoren til generatoren (en koloss på 1500 tonn) fløy opp til taket i turbinhallen.
Hva var videre kjent for alle.