Aquest és el segon article sobre el tema de l’ús de ressonàncies per destruir objectes físics.
El primer article "La petjada russa del virus Stuxnet" va ser introductori i estava destinat a un ampli públic laic.
És hora de conèixer aquest mètode amb detall i, primer, veure el vídeo amb un exemple visual de ressonància, després crec que el tema de l’article es farà més clar, perquè és millor veure’l una vegada que llegir-lo cent vegades…
Aquí teniu un vídeo:
Aquí en teniu un altre:
Així que si us plau, tracteu la ressonància amb respecte.
Tan famós, desconegut per Stuxnet
El mundialment famós virus Stuxnet s’ha convertit en una mena d’història de terror, tothom ho sap, però ningú no entén del tot com va aconseguir destruir secretament les centrífugues per enriquir l’urani durant dos anys. Això no és ni un sabotatge, sinó un mètode més sofisticat de sabotatge: el sabotatge.
Penseu que al llarg de dos anys, centenars de centrífugues es trenquen constantment, tots els programes de producció es pertorben, els especialistes són cridats a les orelles i no poden fer res fins que no arribi un missatge de Bielorússia sobre la detecció d’un virus, la càrrega de combat dels quals eren els mòduls d'actualització del programari intern per a l'automatització industrial de Siemens.
Posteriorment, aquest virus es va anomenar Stuxnet. Vam esbrinar el mètode d’infecció utilitzat, amb els mètodes de penetració fins al nivell del nucli, i el mètode d’esquivar la protecció per contrasenya dels controladors Simatic S7 a la xarxa local. Vam entendre alguna cosa a partir del que fa el firmware actualitzat pel virus del controlador de grup de centrífugues.
Però ningú no ha explicat encara el mètode físic per inhabilitar l'equip en aquest acte de sabotatge. Per tant, nosaltres mateixos intentarem esbrinar aquest enigma més important.
Què sabem?
Aquí teniu aquest controlador Simatic S7 muntat amb mòduls perifèrics:
La pròpia unitat de microprocessador és una caixa amb una tecla blava, tota la resta són perifèrics. El programari de microcontroladors (s’utilitza un llenguatge d’intèrpret especial STEP 7) es troba a la memòria flash interna. L'actualització del programari i el microprogramari del propi controlador es realitza a través de la xarxa o físicament mitjançant una unitat flash extraïble. Aquests controladors eren dispositius de control de grup per a 31 centrífugues de gas alhora.
Però van trencar directament les centrífugues a través d'altres dispositius, un convertidor de freqüència per accionar un motor elèctric, aproximadament de la següent manera:
Així són els convertidors de freqüència (convertidors) de motors elèctrics asíncrons de diverses potències. El nom implica el propòsit funcional d’aquest dispositiu, converteix la tensió d’una xarxa estàndard (tres fases 360V) en una tensió trifàsica d’una freqüència diferent i d’una qualificació diferent. La conversió de tensió es controla mitjançant senyals de la xarxa o es configura manualment des del tauler de control.
Un controlador Simatic S7 controlava immediatament un grup (31 dispositius) de convertidors de freqüència, respectivament, era una unitat de control de grup per a 31 centrífugues.
Tal com van descobrir els especialistes, la semàntica del programari del controlador de control de grup va ser molt modificada pel virus Stuxnet i van considerar l'emissió d'ordres de control de grup als convertidors de freqüència pel programari modificat del controlador Simatic S7 com la causa directa de les avaries de la centrífuga..
El programari del dispositiu de control modificat pel virus va canviar la freqüència de funcionament de cada convertidor de freqüència durant 15 minuts una vegada durant un interval de cinc hores i, en conseqüència, la velocitat de rotació del motor elèctric de la centrífuga connectat.
Així es descriu en un estudi de Semantic:
Per tant, la velocitat del motor canvia de 1410Hz a 2Hz a 1064Hz i es torna a repetir. Recordem que la freqüència de funcionament normal en aquest moment se suposa que està entre 807 Hz i 1210 Hz.
Per tant, la velocitat del motor canvia de 1410Hz en passos de 2Hz a 1064Hz i després inverteix. Com a recordatori, la freqüència de funcionament normal en aquest moment es va mantenir entre 807 Hz i 1210 Hz.
I la semàntica conclou sobre la base d’això:
Per tant, Stuxnet sabota el sistema alentint o accelerant el motor a velocitats diferents en diferents moments
(Per tant, Stuxnet sabota el sistema alentint o accelerant el motor a diferents velocitats en diferents moments).
Per als programadors moderns que només coneixen física i enginyeria elèctrica en el volum de l'escola secundària, probablement n'hi ha prou, però per a especialistes més competents aquesta explicació no és coherent. Un canvi en la velocitat de rotació del rotor de la centrífuga dins del rang permès i un excés a curt termini de la freqüència de funcionament en 200 Hz (al voltant del 15%) del valor nominal en si mateix no pot provocar avaries massives dels equips.
Alguns detalls tècnics
Així és com es presenta una cascada de centrifugadores de gas per a la producció d’urani enriquit:
Hi ha desenes d’aquestes cascades a les fàbriques d’enriquiment d’urani, el nombre total de centrífugues supera els 20-30 mil …
La centrífuga en si és un dispositiu de disseny força senzill, aquí teniu el seu dibuix esquemàtic:
Però aquesta simplicitat constructiva és enganyosa, el fet és que el rotor d’una centrífuga d’aquest tipus, d’uns dos metres de llarg, gira a una velocitat d’uns 50.000 rpm. Equilibrar un rotor amb una configuració espacial complexa, de gairebé dos metres de longitud, és una tasca molt difícil.
A més, es requereixen mètodes especials de suspensió del rotor en els coixinets; per a això, s’utilitzen coixinets d’agulles flexibles especials, que inclouen una complexa suspensió magnètica autoalineable.
Per a la fiabilitat de les centrifugadores de gas, el principal problema és la ressonància de l'estructura mecànica, que s'associa a certes velocitats de rotació del rotor. Les centrifugadores de gas es classifiquen fins i tot sobre aquesta base. Una centrífuga que funciona a una velocitat del rotor per sobre de la ressonant s’anomena supercrítica, per sota de la subcrítica.
No penseu que la velocitat del rotor és la freqüència de ressonància mecànica. Res de ressonància mecànica del tipus no està relacionat amb la velocitat de rotació del rotor de la centrífuga a través de relacions molt complexes. La freqüència de ressonància i la velocitat del rotor poden diferir per un ordre de magnitud.
Per exemple, una àrea de ressonància típica d'una centrífuga és una freqüència entre 10Hz-100Hz, mentre que la velocitat del rotor és de 40-50 mil rpm. A més, la freqüència de ressonància no és un paràmetre fix, sinó flotant, depèn del mode de funcionament actual de la centrífuga (composició, densitat de temperatura del gas en primer lloc) i del joc de reacció a l’estructura de suspensió del rotor.
La tasca principal del desenvolupador d’equips és evitar que la centrífuga funcioni en modes de vibració augmentada (ressonàncies); per a això, sistemes automàtics de bloqueig d’emergència per al nivell de vibració (tensímetres), funcionament a velocitats de rotor que provoquen ressonància de l’estructura mecànica (tacòmetres)), augment de les càrregues de corrent del motor (protecció de corrent).
Els sistemes d’emergència no es combinen mai amb equips responsables del funcionament normal de la instal·lació, sinó que són sistemes electromecànics separats, generalment molt senzills per aturar el treball (simplement interruptors d’emergència). Per tant, no els podeu desactivar i tornar a configurar per programació.
Col·legues dels EUA i Israel van haver de resoldre una tasca completament no trivial, - destruir la centrífuga sense activar els sistemes automàtics de seguretat.
I ara sobre el desconegut com es va fer
Amb la mà lleugera dels traductors del centre científic "NAUTSILUS", que van traduir la investigació dels especialistes de Symantik al rus, molts especialistes que no van llegir l'informe de Symantik a l'original van opinar que l'accident va ser causat per la tensió de funcionament. freqüència reduïda a 2Hz al motor elèctric de la centrífuga.
No és el cas, la traducció correcta es dóna al principi del text de l'article.
I, en principi, és impossible reduir la freqüència de la tensió d’alimentació d’un motor d’inducció d’alta velocitat a 2Hz. Fins i tot un subministrament a curt termini d’aquesta tensió de baixa freqüència als bobinats provocarà un curtcircuit als bobinatges i provocarà una protecció contra el corrent.
Tot es va fer molt més intel·ligent.
El mètode d’excitació de la ressonància en sistemes electromecànics que es descriu a continuació podria afirmar-se que és nou, i em consideren el seu autor, però és probable que ja sigui utilitzat pels autors del virus Stuxnet, per tant, per desgràcia, només queda plagi ….
I, no obstant això, explico amb els meus dits, alhora que faig un programa educatiu sobre els fonaments de la física. Imagineu-vos una càrrega massiva, diguem una tona, penjada en un cable, diguem-ne 10 metres de llarg. Hem obtingut el pèndol més senzill amb una freqüència de ressonància pròpia.
Suposem que voleu fer-lo girar amb el dit petit, fent un esforç d’1 kg. Un sol intent no produirà cap resultat visible.
Això vol dir que heu d’empènyer-lo repetidament, aplicant-hi un esforç d’1 kg, per exemple 1000 vegades, i podem suposar que un esforç múltiple serà equivalent en total a una sola aplicació d’un esforç per tona, això és força suficient per fer girar aquest pèndol.
Així doncs, canviem de tàctica i comencem a empènyer repetidament la càrrega suspesa amb el dit petit, aplicant cada vegada un esforç d’1 kg. No tornarem a tenir èxit, perquè no coneixem la física …
I si ho sabessin, primer calcularien el període d’oscil·lació del pèndol (el pes no té importància, la suspensió és de 10 metres, la força de gravetat és d’1 g) i van començar a empènyer la càrrega amb aquest període amb el dit petit. La fórmula és ben coneguda:
En 10-20 minuts, aquest pèndol que pesaria una tona es balancejaria perquè "la mare no plori".
A més, no cal prémer amb el dit petit sobre cada qualitat del pèndol; això es pot fer una o dues vegades, i fins i tot després de cent oscil·lacions del pèndol. És només que el temps d’acumulació augmentarà proporcionalment, però l’efecte d’acumulació es conservarà completament.
I, tanmateix, sorprendré a les persones que coneixen física i matemàtiques en el volum de l'escola secundària (el nivell de coneixement d'un programador modern típic), el període d'oscil·lació d'aquest pèndol no depèn de l'amplitud de l'oscil·lació, el fa girar un mil·límetre o a un metre del punt de repòs, el període d’oscil·lació i, per tant, la freqüència d’oscil·lació del pèndol seran constants.
Qualsevol estructura espacial no té ni una, sinó diverses freqüències de ressonància; de fet, hi ha diversos pèndols. Les centrifugadores de gas, a causa de les seves característiques tècniques, tenen una freqüència de ressonància principal anomenada factor d’alta qualitat (acumulen efectivament energia de vibració).
Només queda girar la centrifugadora de gas amb un dit a la freqüència de ressonància. És una broma, és clar, si hi ha un motor elèctric amb un sistema de control automàtic, es pot fer el mateix de manera molt més imperceptible.
Per fer-ho, cal augmentar / disminuir la velocitat del motor elèctric en sacsejades (com va fer el virus, a 2 Hz) i emetre aquestes sacsejades amb la freqüència de ressonància de l’estructura mecànica de la centrífuga.
En altres paraules, és necessari subministrar el motor amb la freqüència de ressonància mecànica mitjançant un convertidor de tensió de freqüència amb freqüència variable. El moment de força que es produeix al motor quan la freqüència de la tensió d’alimentació canvia es transmetrà a l’habitatge amb la freqüència de ressonància mecànica i gradualment les oscil·lacions de ressonància assoliran un nivell en què la instal·lació començarà a col·lapsar
Les fluctuacions de freqüència properes a un valor mitjà determinat s’anomenen "batecs", això és un efecte estàndard de qualsevol convertidor de freqüència, la freqüència, com se sol dir, "camina" dins de certs límits, normalment no més de dècimes del nominal. Els saboteadors disfressats com aquests ritmes naturals de freqüència, la seva pròpia modulació artificial introduïda de la freqüència del motor elèctric i la van sincronitzar amb la freqüència de ressonància mecànica de l’estructura espacial de la centrífuga.
No entraré més en el tema, en cas contrari m’acusaran d’escriure instruccions pas a pas per als sabotadors. Per tant, fora de la discussió, deixaré la qüestió de trobar la freqüència de ressonància per a una centrífuga particular (és individual per a cada centrífuga). Per la mateixa raó, no descriuré el mètode d'ajust "fi", quan calgui fer un equilibri a punt de provocar la protecció d'emergència contra les vibracions.
Aquestes tasques es resolen mitjançant els sensors de corrent de tensió de sortida disponibles al programari instal·lats als convertidors de freqüència. Penseu en la meva paraula: això és bastant realitzable, només són algorismes.
Una vegada més sobre l'accident a la central hidroelèctrica de Sayano-Shushenskaya
A l’article anterior, es feia la hipòtesi que l’accident a la central hidroelèctrica es produïa de la mateixa manera (pel mètode de ressonància) que en una planta d’enriquiment d’urani a l’Iran, mitjançant un programari especial.
Això no significa, per descomptat, que el mateix virus Stuxnet funcionés aquí i allà, és clar que no. Va funcionar el mateix principi físic de destrucció d'objectes: una ressonància induïda artificialment d'una estructura mecànica.
La presència de ressonància s’indica amb la presència de femelles sense cargol per subjectar la tapa de la turbina i les lectures de l’únic sensor de vibració axial que funcionava en el moment de l’accident.
Tenint en compte la coincidència del moment i les causes de l’accident de HPP amb el fet de fer sabotatges a la planta d’enriquiment d’urani iranià, el sistema de control de vibracions continu es va apagar en el moment de l’accident, el funcionament de la unitat sota el control de la sistema de control automàtic de la turbina, es pot suposar que la ressonància no va ser un fenomen casual, sinó artificial.
Si aquesta suposició és correcta, llavors, a diferència de la situació de les centrifugadores de gas, la tasca de destruir la turbina requeria una intervenció manual. L’equip disponible a l’HP no permetia que el programari de sabotatge detectés automàticament la freqüència de ressonància individual i, a continuació, mantingués les vibracions dins del mode d’emergència sense activar els sensors d’emergència.
A la central hidroelèctrica, el treball del programari de sabotatge requeria l’ús del "factor humà". Algú d’alguna manera va haver d’apagar el servidor de control de vibracions i abans d’això va transferir als desenvolupadors del programari de sabotatge els paràmetres de les ressonàncies d’una determinada unitat de turbina, que se’n van retirar sis mesos abans de l’accident durant una reparació programada.
La resta era qüestió de tècnica.
No cal pensar que la ressonància es va produir al mateix cos del rotor de la turbina, és clar que no. Es va provocar la ressonància de la capa d’aigua, saturada de cavitats elàstiques de cavitació, situades entre el rotor de la turbina i les paletes de guia.
De manera simplificada, es pot imaginar aquesta analogia, a la part inferior hi ha un ressort format per cavitats de cavitació entre el rotor de la turbina i les pales de les pales de guia, i aquest ressort està recolzat per una columna d’aigua de cent metres d’alçada. Resulta un circuit oscil·latori ideal. Bascular aquest sistema de pèndol és una tasca molt real.
És per aquesta ressonància TOTS les pales de les paletes de guia es van trencar, i no mecànicament, per impactes, sinó que es van trencar per una càrrega dinàmica. Aquí teniu una foto d’aquestes fulles trencades, no hi ha rastre de xoc mecànic a les seves superfícies:
Les fulles trencades de les paletes de guia van bloquejar el forat de desguàs de la turbina i va ser a partir d’aquest imprevist que l’accident va començar a convertir-se en una catàstrofe.
El rotor de la turbina s’assemblava a una hèlix supercisterna i va començar a girar en una "llauna d’aigua tancada" amb una massa d’un miler i mig de tones i una velocitat de rotació de 150 rpm. A la zona de treball de la turbina, es va crear una sobrepressió d'aigua tal que es va arrencar la tapa i la turbina mateixa, segons testimonis presencials, juntament amb el rotor del generador (un colós de 1.500 tones) va volar fins a el sostre de la sala de la turbina.
El que tothom sabia més.
