Toto je druhý článok na tému použitia rezonancií na ničenie fyzických predmetov.
Prvý článok „Ruská stopa vírusu Stuxnet“bol úvodný a bol určený pre široké laické publikum.
Je načase sa podrobne zoznámiť s touto metódou a najskôr si pozrieť video s vizuálnym príkladom rezonancie, potom si myslím, že téma článku bude jasnejšia, pretože je lepšie raz vidieť, ako stokrát čítať…
Tu je video:
Tu je ďalší:
Zaobchádzajte preto prosím s rezonanciou s rešpektom.
Tak slávny, pre Stuxnet neznámy
Svetoznámy vírus Stuxnet sa už zmenil na druh hororu, každý o ňom vie, ale nikto úplne nechápe, ako dokázal dva roky tajne ničiť centrifúgy na obohacovanie uránu. Nejde ani tak o sabotáž, ale o sofistikovanejšiu metódu sabotáže - sabotáž.
Zamyslite sa nad tým, že v priebehu dvoch rokov sa stovky centrifúg neustále rozpadajú, všetky výrobné plány sú narušené, špecialistom sa hovorí „na uši“a nemôžu nič robiť, kým z Bieloruska nepríde správa o detekcii vírusu, bojovou záťažou, ktorou boli aktualizačné moduly interného softvéru pre priemyselnú automatizáciu od spoločnosti Siemens.
Následne bol tento vírus pomenovaný Stuxnet. Zistili sme spôsob použitej infekcie, metódy jej prieniku na úroveň jadra a spôsob prelomenia ochrany heslom ovládačov Simatic S7 v lokálnej sieti. Niečo sme pochopili z toho, čo robí vírusom aktualizovaný firmvér ovládača skupiny centrifúg.
Ale nikto zatiaľ nevysvetlil fyzický spôsob deaktivácie zariadenia pri tomto akte sabotáže. Preto sa sami pokúsime prísť na túto najdôležitejšiu hádanku.
Čo vieme
Tu je tento ovládač Simatic S7 zostavený s periférnymi modulmi:
Samotná mikroprocesorová jednotka je krabica s modrým kľúčom, všetko ostatné sú periférie. Softvér mikrokontroléra (používa sa špeciálny interpretačný jazyk STEP 7) je umiestnený vo vnútornej pamäti flash. Aktualizácia softvéru a firmvéru samotného ovládača prebieha prostredníctvom siete alebo fyzicky prostredníctvom vymeniteľnej jednotky flash. Takéto regulátory boli skupinovými riadiacimi zariadeniami pre 31 plynových odstrediviek naraz.
Ale priamo rozbili odstredivky prostredníctvom iných zariadení, - frekvenčného meniča na prevádzku elektrického motora, približne takto:
Takto vyzerajú frekvenčné meniče (meniče) pre asynchrónne elektromotory rôznych výkonov. Názov naznačuje funkčný účel tohto zariadenia, prevádza napätie zo štandardnej siete (tri fázy 360 V) na trojfázové napätie s inou frekvenciou a iným hodnotením. Konverzia napätia je riadená signálmi zo siete alebo je nastavená ručne z ovládacieho panela.
Jeden regulátor Simatic S7 okamžite ovládal skupinu (31 zariadení) frekvenčných meničov, respektíve to bola skupinová riadiaca jednotka pre 31 centrifúg.
Ako špecialisti zistili, sémantika softvéru regulátora skupinového riadenia bola silne modifikovaná vírusom Stuxnet a vydávanie príkazov skupinového riadenia meničom frekvencie upraveným softvérom regulátora Simatic S7 považovali za priamu príčinu porúch odstrediviek..
Vírusom upravený softvér riadiaceho zariadenia zmenil počas päťhodinového intervalu raz pracovnú frekvenciu každého frekvenčného meniča na 15 minút a podľa toho aj rýchlosť otáčania elektrického motora odstredivky.
Takto je to popísané v štúdii Semantic:
Rýchlosť motora sa teda zmení zo 1410 Hz na 2 Hz až 1064 Hz a potom znova. Pripomeňme si, že normálna prevádzková frekvencia v tejto dobe by mala byť medzi 807 Hz a 1210 Hz.
Otáčky motora sa teda zmenia zo 1410 Hz v 2Hz krokoch na 1064 Hz a potom sa obrátia späť. Pripomíname, že normálna prevádzková frekvencia bola v tomto čase udržiavaná medzi 807 Hz a 1210 Hz.
A sémantika na základe toho končí:
Stuxnet tak sabotuje systém spomalením alebo zrýchlením motora na rôzne rýchlosti v rôznych časoch
(Stuxnet tak sabotuje systém spomalením alebo zrýchlením motora na rôzne rýchlosti v rôznych časoch.)
Moderným programátorom, ktorí poznajú fyziku a elektrotechniku iba na strednej škole, to pravdepodobne stačí, ale pre kompetentnejších špecialistov takéto vysvetlenie nie je konzistentné. Zmena otáčok rotora odstredivky v povolenom rozsahu a krátkodobé prekročenie prevádzkovej frekvencie o 200 Hz (asi 15%) z nominálnej hodnoty samo osebe nemôže viesť k rozsiahlym poruchám zariadenia.
Niektoré technické detaily
Takto vyzerá kaskáda plynových odstrediviek na výrobu obohateného uránu:
V továrňach na obohacovanie uránu existujú desiatky takýchto kaskád, celkový počet centrifúg presahuje 20-30 tisíc …
Samotná centrifúga je pomerne jednoduchým zariadením, tu je jej schematický nákres:
Ale táto konštruktívna jednoduchosť klame, faktom je, že rotor takejto odstredivky, dlhý asi dva metre, sa otáča rýchlosťou asi 50 000 otáčok za minútu. Vyváženie rotora so zložitou priestorovou konfiguráciou, dlhou takmer dva metre, je veľmi náročná úloha.
Okrem toho sú potrebné špeciálne metódy zavesenia rotora v ložiskách; Na tento účel sa používajú špeciálne pružné ihlové ložiská doplnené komplexným samonastavovacím magnetickým zavesením.
Pre spoľahlivosť plynových odstrediviek je hlavným problémom rezonancia mechanickej štruktúry, ktorá je spojená s určitými rýchlosťami otáčania rotora. Plynové odstredivky sú na tomto základe dokonca kategorizované. Odstredivka pracujúca s rýchlosťou rotora nad rezonančnou sa nazýva superkritická, podkritická.
Nemyslite si, že rýchlosť rotora je frekvenciou mechanickej rezonancie. Nič také, mechanická rezonancia, nesúvisí s rýchlosťou otáčania rotora odstredivky prostredníctvom veľmi zložitých vzťahov. Rezonančná frekvencia a rýchlosť rotora sa môžu líšiť rádovo.
Typickou rezonančnou oblasťou odstredivky je napríklad frekvencia v rozsahu 10 Hz-100 Hz, pričom rýchlosť rotora je 40-50 000 ot / min. Rezonančná frekvencia navyše nie je pevným parametrom, ale plávajúcim, závisí to od aktuálneho prevádzkového režimu odstredivky (v prvom rade zloženie, hustota teploty plynu) a vôle v závesnej štruktúre rotora.
Hlavnou úlohou vývojára zariadenia je zabrániť tomu, aby odstredivka pracovala v režimoch zvýšených vibrácií (rezonancie); na to slúžia automatické systémy núdzového blokovania úrovne vibrácií (tenzometre), ktoré pracujú pri otáčkach rotora spôsobujúcich rezonanciu mechanickej štruktúry (tachometre)), zvýšené prúdové zaťaženia motora (prúdová ochrana).
Núdzové systémy sa nikdy nekombinujú so zariadeniami zodpovednými za normálnu prevádzku zariadenia, sú to samostatné, spravidla veľmi jednoduché elektromechanické systémy na zastavenie práce (jednoducho núdzové spínače). Nemôžete ich teda programovo deaktivovať a prekonfigurovať.
Kolegovia z USA a Izraela museli vyriešiť úplne netriviálnu úlohu, - zničte odstredivku bez spustenia bezpečnostnej automatiky.
A teraz o neznámom, ako sa to robilo
Svetlou rukou translátorov vedeckého centra „NAUTSILUS“, ktorí prekladali výskum odborníkov z odboru Symantik do ruštiny, mnoho odborníkov, ktorí si neprečítali správu Symantiku v origináli, zastáva názor, že nehodu spôsobilo prevádzkové napätie frekvencia znížená na 2 Hz na elektrický motor odstredivky.
Nie je tomu tak, správny preklad je uvedený na začiatku textu článku.
A v zásade nie je možné znížiť frekvenciu napájacieho napätia vysokorýchlostného indukčného motora na 2 Hz. Dokonca aj krátkodobé napájanie takto nízkofrekvenčného napätia do vinutí spôsobí skrat vo vinutí a spustí ochranu prúdu.
Všetko bolo urobené oveľa múdrejšie.
Ďalej opísaný spôsob excitácie rezonancie v elektromechanických systémoch by mohol byť nový a ja som považovaný za jeho autora, ale s najväčšou pravdepodobnosťou ho už používajú autori vírusu Stuxnet, takže bohužiaľ zostáva len na plagiátorstvo..
A napriek tomu vysvetľujem na prstoch a zároveň vediem vzdelávací program o základoch fyziky. Predstavte si masívny náklad, povedzme tonu, visiaci na kábli, povedzme 10 metrov dlhom. Získali sme najjednoduchšie kyvadlo s vlastnou rezonančnou frekvenciou.
Ďalej predpokladajme, že ho chcete hojdať malíčkom a vyvinúť úsilie 1 kg. Jediný pokus neprinesie žiadny viditeľný výsledok.
To znamená, že ho musíte opakovane tlačiť, pričom naň vynaložíte úsilie 1 kg, povedzme 1000 -krát, potom môžeme predpokladať, že takéto viacnásobné úsilie bude celkom ekvivalentné jedinému použitiu úsilia na tonu, to je celkom dosť. dosť na to, aby sa hojdalo takým kyvadlom.
A tak zmeníme taktiku a začneme opakovane tlačiť zavesené bremeno malým prstom, zakaždým, keď vynaložíme úsilie 1 kg. Znova neuspejeme, pretože nepoznáme fyziku …
A keby to vedeli, tak najskôr vypočítajú periódu kmitania kyvadla (hmotnosť je úplne nedôležitá, zavesenie je 10 metrov, gravitačná sila je 1 g) a začnú s malým ťahom zaťažovať toto obdobie.. Vzorec je dobre známy:
O 10-20 minút sa toto tony vážiace kyvadlo rozhúpalo, aby „mama neplakala“.
Navyše nie je potrebné tlačiť malým prstom na každú kvalitu kyvadla; dá sa to raz alebo dvakrát, a dokonca aj po sto kmitoch kyvadla. Je to tak, že čas nahromadenia sa proporcionálne zvýši, ale efekt nahromadenia bude úplne zachovaný.
A napriek tomu prekvapím ľudí, ktorí poznajú fyziku a matematiku na úrovni strednej školy (úroveň znalostí typického moderného programátora), doba kmitania takéhoto kyvadla nezávisí od amplitúdy kmitania, otočte ho o milimeter alebo meter od pokojového bodu, perióda oscilácie a podľa toho frekvencia oscilácií kyvadla bude konštantná.
Akákoľvek priestorová štruktúra nemá ani jednu, ale niekoľko rezonančných frekvencií; v skutočnosti v nej existuje niekoľko takýchto kyvadiel. Plynové odstredivky majú vďaka svojim technickým vlastnostiam takzvanú hlavnú rezonančnú frekvenciu s vysokým faktorom kvality (účinne akumulujú vibračnú energiu).
Zostáva len rozhýbať plynovú odstredivku prstom na rezonančnej frekvencii. Je to vtip, samozrejme, ak existuje elektrický motor s automatickým riadiacim systémom, potom sa to isté dá urobiť oveľa nepostrehnuteľnejšie.
Aby ste to urobili, musíte zvýšiť / znížiť rýchlosť elektromotora v trhnutí (ako to urobil vírus, pri 2 Hz) a vydať týmto trhnutiam rezonančnú frekvenciu mechanickej štruktúry odstredivky.
Inými slovami, je potrebné dodať motoru frekvenciu mechanickej rezonancie pomocou frekvenčného meniča napätia s premenlivou frekvenciou. Moment sily, ktorý nastáva v motore pri zmene frekvencie napájacieho napätia, bude prenášaný do puzdra s frekvenciou mechanickej rezonancie a postupne rezonančné kmity dosiahnu úroveň, na ktorej sa inštalácia začne rúcať
Kolísanie frekvencie blízko určitej priemernej hodnoty sa nazýva „beaty“, to je štandardný účinok akéhokoľvek frekvenčného meniča, frekvencia, ako sa hovorí, „chodí“v určitých medziach, spravidla nie viac ako desatiny percenta nominálnej hodnoty. Diverzanti prezlečení za tieto prirodzené údery frekvencie, vlastnú, umelo zavedenú, moduláciu frekvencie elektrického motora a synchronizovali ju s frekvenciou mechanickej rezonancie priestorovej štruktúry odstredivky.
K téme sa už nebudem ďalej venovať, inak budem obvinený z písania podrobných pokynov pre sabotérov. Preto mimo diskusiu ponechám otázku nájdenia rezonančnej frekvencie pre konkrétnu odstredivku (je to pre každú odstredivku individuálne). Z rovnakého dôvodu nebudem opisovať spôsob „jemného“nastavenia, keď je potrebné balansovať na hranici spustenia núdzovej ochrany pred vibráciami.
Tieto úlohy sú vyriešené softvérovo dostupnými snímačmi prúdu výstupného napätia inštalovanými vo frekvenčných meničoch. Vezmite ma za slovo - je to celkom realizovateľné, sú to len algoritmy.
Opäť o nehode na VE Sayano-Shushenskaya
V predchádzajúcom článku sa predpokladalo, že nehoda vo vodnej elektrárni bola spôsobená rovnakým spôsobom (rezonančnou metódou) ako v továrni na obohacovanie uránu v Iráne, pomocou špeciálneho softvéru.
To však neznamená, že tu a tam fungoval ten istý vírus Stuxnet, samozrejme, že nie. Fungoval rovnaký fyzikálny princíp ničenia predmetov - umelo vyvolaná rezonancia mechanickej štruktúry.
Prítomnosť rezonancie je indikovaná prítomnosťou odskrutkovaných matíc na upevnenie krytu turbíny a údajmi jediného senzora axiálnych vibrácií, ktorý v čase nehody pracoval.
Berúc do úvahy súlad času a príčin nehody HPP so skutočnosťou sabotáže v iránskom závode na obohacovanie uránu, systém kontinuálnej kontroly vibrácií bol v čase nehody vypnutý, pričom prevádzka jednotky pod kontrolou automatický riadiaci systém turbínovej jednotky, dá sa predpokladať, že rezonancia nebola náhodným javom, ale človekom.
Ak je tento predpoklad správny, potom na rozdiel od situácie s plynovými odstredivkami si úloha zničenia turbínovej jednotky vyžadovala ručný zásah. Zariadenie dostupné na HPP neumožňovalo sabotážnemu softvéru automaticky detekovať individuálnu rezonančnú frekvenciu a potom udržať vibrácie v núdzovom režime bez spustenia núdzových senzorov.
V hydroelektrárni si práca sabotážneho softvéru vyžadovala použitie „ľudského faktora“. Niekto musel nejako vypnúť server na ovládanie vibrácií a predtým preniesť vývojárom sabotážneho softvéru do vývojárov parametre rezonancií konkrétnej turbínovej jednotky, ktoré z nej boli odstránené šesť mesiacov pred nehodou počas plánovanej opravy.
Ostatné bolo vecou techniky.
Nie je potrebné si myslieť, že k rezonancii došlo v samotnom tele rotora turbíny, samozrejme, že nie. Spôsobila sa rezonancia vodnej vrstvy nasýtenej elastickými kavitačnými dutinami umiestnenými medzi rotorom turbíny a vodiacimi lopatkami.
Zjednodušene si možno predstaviť takú analógiu, v spodnej časti je medzi rotorom turbíny a lopatkami vodiacich lopatiek pružina vytvorená z kavitačných dutín a tento prameň nesie stĺp vody vysoký sto metrov. Ukazuje sa to ako ideálny oscilačný obvod. Rozhýbať takýto kyvadlový systém je veľmi skutočná úloha.
Je to kvôli tejto rezonancii VŠETKY lopatky vodiacich lopatiek boli zlomené, a nie mechanicky, pri nárazoch, ale zlomené dynamickým zaťažením. Tu je fotografia týchto zlomených čepelí, na ich povrchoch nie sú žiadne stopy mechanického nárazu:
Zlomené lopatky vodiacich lopatiek zablokovali odtokový otvor turbíny a z tejto nepredvídanej okolnosti sa nehoda začala vyvíjať do katastrofy.
Rotor turbíny pripomínal vrtuľu supertankera a začal sa otáčať v „uzavretej plechovke vody“s hmotnosťou jeden a pol tisíc ton a rýchlosťou otáčania 150 ot / min. V pracovnej oblasti turbíny bol vytvorený taký pretlak vody, že bolo odtrhnuté veko a samotná turbína podľa očitých svedkov spolu s rotorom generátora (1 500 ton kolos) vyleteli až k strop haly turbíny.
Čo bolo ďalej všetkým známe.