Questo è il secondo articolo sull'uso delle risonanze per distruggere oggetti fisici.
Il primo articolo "L'impronta russa del virus Stuxnet" era introduttivo ed era destinato a un vasto pubblico laico.
È tempo di familiarizzare in dettaglio con questo metodo e, prima di tutto, guardare il video con un esempio visivo di risonanza, dopodiché penso che l'argomento dell'articolo diventerà più chiaro, perché è meglio vedere una volta che leggere cento volte…
Ecco un video:
Eccone un altro:
Quindi, per favore, trattate la risonanza con rispetto.
Così famoso, sconosciuto a Stuxnet
Il famosissimo virus Stuxnet si è ormai trasformato in una sorta di racconto dell'orrore, lo sanno tutti, ma nessuno comprende fino in fondo come sia riuscito a distruggere di nascosto per due anni centrifughe per l'arricchimento dell'uranio. Questo non è nemmeno un sabotaggio, ma un metodo di sabotaggio più sofisticato: il sabotaggio.
Basti pensare che nel corso di due anni centinaia di centrifughe si guastano costantemente, tutti i programmi di produzione vengono interrotti, gli specialisti vengono chiamati "sulle orecchie" e non possono fare nulla finché non arriva un messaggio dalla Bielorussia sul rilevamento di un virus, il carico di combattimento di cui erano i moduli di aggiornamento del software interno per l'automazione industriale di Siemens.
Successivamente, questo virus è stato chiamato Stuxnet. Abbiamo capito il metodo di infezione utilizzato, con i metodi della sua penetrazione a livello di kernel e il metodo per violare la protezione con password dei controller Simatic S7 nella rete locale. Abbiamo capito qualcosa da cosa fa il firmware aggiornato dal virus del controller del gruppo centrifuga.
Ma nessuno ha ancora spiegato il metodo fisico per disabilitare l'attrezzatura in questo atto di sabotaggio. Pertanto, noi stessi cercheremo di capire questo enigma più importante.
Cosa sappiamo
Ecco questo controller Simatic S7 assemblato con moduli periferici:
L'unità a microprocessore stessa è una scatola con una chiave blu, tutto il resto sono periferiche. Il software del microcontrollore (viene utilizzato uno speciale linguaggio per interpreti STEP 7) si trova nella memoria flash interna. L'aggiornamento del software e del firmware del controller stesso avviene tramite la rete o fisicamente tramite un'unità flash rimovibile. Tali controller erano dispositivi di controllo di gruppo per 31 centrifughe a gas contemporaneamente.
Ma hanno rotto direttamente le centrifughe attraverso altri dispositivi, - un convertitore di frequenza per il funzionamento di un motore elettrico, approssimativamente come segue:
Ecco come si presentano i convertitori di frequenza (convertitori) per motori elettrici asincroni di varie potenze. Il nome implica lo scopo funzionale di questo dispositivo, converte la tensione di una rete standard (tre fasi 360V) in una tensione trifase di una frequenza diversa e una valutazione diversa. La conversione della tensione è controllata da segnali dalla rete o impostata manualmente dal pannello di controllo.
Un controller Simatic S7 controllava immediatamente un gruppo (31 dispositivi) di convertitori di frequenza, rispettivamente, era un'unità di controllo di gruppo per 31 centrifughe.
Come hanno scoperto gli specialisti, la semantica del software del controller di controllo di gruppo è stata pesantemente modificata dal virus Stuxnet e hanno considerato l'emissione di comandi di controllo di gruppo ai convertitori di frequenza da parte del software modificato del controller Simatic S7 come la causa diretta dei guasti della centrifuga.
Il software del dispositivo di controllo modificato dal virus ha modificato la frequenza operativa di ciascun convertitore di frequenza per 15 minuti una volta nell'arco di cinque ore e, di conseguenza, la velocità di rotazione del motore elettrico della centrifuga ad esso collegato.
Così viene descritto in uno studio di Semantic:
Pertanto, la velocità del motore viene modificata da 1410Hz a 2Hz a 1064Hz e poi di nuovo. Ricordiamo che la normale frequenza operativa in questo momento dovrebbe essere compresa tra 807 Hz e 1210 Hz.
Quindi la velocità del motore cambia da 1410Hz a passi di 2Hz a 1064Hz e poi torna indietro. Come promemoria, la normale frequenza operativa in questo momento è stata mantenuta tra 807 Hz e 1210 Hz.
E la Semantica conclude su questa base:
Pertanto, Stuxnet sabota il sistema rallentando o accelerando il motore a velocità diverse in momenti diversi
(Così, Stuxnet sabota il sistema rallentando o accelerando il motore a velocità diverse in momenti diversi.)
Per i programmatori moderni che conoscono la fisica e l'ingegneria elettrica solo nel volume della scuola secondaria, questo è probabilmente sufficiente, ma per gli specialisti più competenti tale spiegazione non è coerente. Una variazione della velocità di rotazione del rotore della centrifuga entro l'intervallo consentito e un superamento a breve termine della frequenza operativa di 200 Hz (circa il 15%) rispetto al valore nominale di per sé non possono portare a guasti massicci delle apparecchiature.
Alcuni dettagli tecnici
Ecco come si presenta una cascata di centrifughe a gas per la produzione di uranio arricchito:
Ci sono dozzine di tali cascate nelle fabbriche di arricchimento dell'uranio, il numero totale di centrifughe supera i 20-30 mila …
La centrifuga stessa è un dispositivo piuttosto semplice nel design, ecco il suo disegno schematico:
Ma questa semplicità costruttiva inganna, sta di fatto che il rotore di una tale centrifuga, lungo circa due metri, ruota ad una velocità di circa 50.000 giri al minuto. Bilanciare un rotore con una configurazione spaziale complessa, lungo quasi due metri, è un compito molto difficile.
Inoltre, sono richiesti metodi speciali di sospensione del rotore nei cuscinetti; per questo vengono utilizzati speciali cuscinetti ad aghi flessibili, completi di una complessa sospensione magnetica autoallineante.
Per l'affidabilità delle centrifughe a gas, il problema principale è la risonanza della struttura meccanica, che è associata a determinate velocità di rotazione del rotore. Le centrifughe a gas sono persino classificate su questa base. Una centrifuga che funziona a una velocità del rotore superiore a quella risonante è chiamata supercritica, sotto - subcritica.
Non pensare che la velocità del rotore sia la frequenza della risonanza meccanica. Niente del genere, la risonanza meccanica è legata alla velocità di rotazione del rotore della centrifuga attraverso relazioni molto complesse. La frequenza di risonanza e la velocità del rotore possono differire di un ordine di grandezza.
Ad esempio, una tipica area di risonanza di una centrifuga è una frequenza nell'intervallo 10Hz-100Hz, mentre la velocità del rotore è 40-50 mila giri/min. Inoltre, la frequenza di risonanza non è un parametro fisso, ma flottante, dipende dall'attuale modalità di funzionamento della centrifuga (composizione, densità di temperatura del gas in primis) e dal gioco nella struttura di sospensione del rotore.
Il compito principale dello sviluppatore dell'attrezzatura è impedire che la centrifuga funzioni in modalità di maggiore vibrazione (risonanze); per questo, sistemi di blocco automatico di emergenza per livello di vibrazione (estensimetri), funzionamento a velocità del rotore causando risonanza della struttura meccanica (tachimetri), maggiori carichi di corrente del motore (protezione di corrente).
I sistemi di emergenza non sono mai abbinati ad apparecchiature responsabili del normale funzionamento dell'impianto, sono sistemi elettromeccanici separati, solitamente molto semplici, per l'arresto del lavoro (semplici interruttori di emergenza). Quindi non puoi disabilitarli e riconfigurarli a livello di codice.
I colleghi degli Stati Uniti e di Israele hanno dovuto risolvere un compito del tutto non banale, - distruggere la centrifuga senza attivare i dispositivi di sicurezza.
E ora sull'ignoto come è stato fatto
Con la mano leggera dei traduttori del centro scientifico "NAUTSILUS", che hanno tradotto in russo le ricerche degli specialisti Symantik, molti specialisti che non hanno letto il rapporto Symantik in originale hanno ritenuto che l'incidente fosse stato causato dalla tensione di esercizio frequenza ridotta a 2Hz al motore elettrico della centrifuga.
Non è così, la traduzione corretta è data all'inizio del testo dell'articolo.
E in linea di principio, è impossibile ridurre la frequenza della tensione di alimentazione di un motore a induzione ad alta velocità a 2Hz. Anche un'alimentazione a breve termine di una tale tensione a bassa frequenza agli avvolgimenti causerà un cortocircuito negli avvolgimenti e attiverà la protezione dalla corrente.
Tutto è stato fatto in modo molto più intelligente.
Il metodo di eccitazione della risonanza nei sistemi elettromeccanici descritto di seguito potrebbe pretendere di essere nuovo, e ne sono considerato l'autore, ma molto probabilmente è già utilizzato dagli autori del virus Stuxnet, quindi, ahimè, resta solo da plagiare…
E tuttavia, spiego sulle mie dita, conducendo allo stesso tempo un programma educativo sulle basi della fisica. Immagina un carico enorme, diciamo una tonnellata, appeso a un cavo, diciamo lungo 10 metri. Abbiamo ottenuto il pendolo più semplice con una propria frequenza di risonanza.
Supponiamo inoltre di volerlo dondolare con il mignolo, applicando uno sforzo di 1 kg. Un singolo tentativo non produrrà alcun risultato visibile.
Ciò significa che è necessario spingerlo ripetutamente, applicando uno sforzo di 1 kg, diciamo 1000 volte, quindi possiamo supporre che uno sforzo multiplo del genere sarà equivalente in totale a una singola applicazione di uno sforzo per tonnellata, questo è abbastanza abbastanza per far oscillare un tale pendolo.
E così, cambiamo tattica e iniziamo a spingere ripetutamente il carico sospeso con il nostro mignolo, applicando ogni volta uno sforzo di 1 kg. Non ci riusciremo più, perché non conosciamo la fisica…
E se lo sapessero, allora prima avrebbero calcolato il periodo di oscillazione del pendolo (il peso è assolutamente irrilevante, la sospensione è di 10 metri, la forza di gravità è di 1 g) e iniziavano a spingere il carico con questo periodo con il mignolo. La formula è ben nota:
In 10-20 minuti, questo pendolo del peso di una tonnellata oscillerebbe in modo che "mamma non pianga".
Inoltre non è necessario premere con il mignolo su ogni qualità del pendolo, ciò si può fare una, o due volte, e anche dopo cento oscillazioni del pendolo. È solo che il tempo di accumulo aumenterà proporzionalmente, ma l'effetto di accumulo sarà completamente preservato.
Eppure, sorprenderò le persone che conoscono la fisica e la matematica nel volume della scuola secondaria (il livello di conoscenza di un tipico programmatore moderno), il periodo di oscillazione di un tale pendolo non dipende dall'ampiezza dell'oscillazione, oscilla di un millimetro o un metro dal punto di riposo, il periodo di oscillazione e, di conseguenza, la frequenza di oscillazione del pendolo saranno costanti.
Qualsiasi struttura spaziale non ha nemmeno una, ma diverse frequenze di risonanza; infatti, ci sono molti di questi pendoli in essa. Le centrifughe a gas, per le loro caratteristiche tecniche, hanno una cosiddetta frequenza di risonanza principale di alto fattore di qualità (accumulano efficacemente energia di vibrazione).
Resta solo da far oscillare la centrifuga a gas con un dito alla frequenza di risonanza. È uno scherzo, ovviamente, se c'è un motore elettrico con un sistema di controllo automatico, lo stesso può essere fatto in modo molto più impercettibile.
Per fare ciò, è necessario aumentare/diminuire la velocità del motore elettrico a scatti (come ha fatto il virus, a 2 Hz) ed emettere questi scatti con la frequenza di risonanza della struttura meccanica della centrifuga.
In altre parole, è necessario fornire al motore la frequenza di risonanza meccanica utilizzando un convertitore di tensione di frequenza a frequenza variabile. Il momento della forza che si verifica nel motore quando la frequenza della tensione di alimentazione cambia verrà trasmesso all'alloggiamento con la frequenza della risonanza meccanica e gradualmente le oscillazioni risonanti raggiungeranno un livello al quale l'installazione inizierà a crollare
Le fluttuazioni di frequenza vicino a un certo valore medio sono chiamate "battiti", questo è un effetto standard di qualsiasi convertitore di frequenza, la frequenza, come si suol dire, "cammina" entro certi limiti, di solito non più di decimi di percento del nominale. I sabotatori travestiti da questi naturali battiti di frequenza, la loro modulazione, introdotta artificialmente, della frequenza del motore elettrico e la sincronizzavano con la frequenza di risonanza meccanica della struttura spaziale della centrifuga.
Non entrerò più nell'argomento, altrimenti verrò accusato di scrivere istruzioni passo passo per sabotatori. Pertanto, al di fuori della discussione, lascerò la questione della ricerca della frequenza di risonanza per una particolare centrifuga (è individuale per ogni centrifuga). Per lo stesso motivo, non descriverò il metodo di regolazione "fine", quando è necessario bilanciare sul punto di attivare la protezione di emergenza contro le vibrazioni.
Queste attività vengono risolte tramite i sensori di corrente di tensione di uscita disponibili software installati nei convertitori di frequenza. Credimi sulla parola: questo è abbastanza realizzabile, sono solo gli algoritmi.
Ancora sull'incidente all'HPP Sayano-Shushenskaya
Nell'articolo precedente si ipotizzava che l'incidente alla centrale idroelettrica sia stato causato allo stesso modo (con il metodo della risonanza) di un impianto di arricchimento dell'uranio in Iran, utilizzando un software speciale.
Questo non significa, ovviamente, che lo stesso virus Stuxnet operasse qua e là, ovviamente no. Lo stesso principio fisico della distruzione dell'oggetto funzionava: una risonanza indotta artificialmente di una struttura meccanica.
La presenza di risonanza è indicata dalla presenza di dadi svitati per il fissaggio del coperchio turbina e dalle letture dell'unico sensore di vibrazione assiale che era in funzione al momento dell'incidente.
Tenendo conto della coincidenza del momento e delle cause dell'incidente della centrale idroelettrica con il fatto di sabotaggio all'impianto di arricchimento dell'uranio iraniano, il sistema di controllo continuo delle vibrazioni si è spento al momento dell'incidente, il funzionamento dell'unità sotto il controllo del sistema di controllo automatico dell'unità turbina, si può presumere che la risonanza non sia stata un fenomeno accidentale, ma antropico.
Se questa ipotesi è corretta, allora, a differenza della situazione con le centrifughe a gas, il compito di distruggere l'unità turbina richiedeva un intervento manuale. Le apparecchiature disponibili presso l'HPP non consentivano al software di sabotaggio di rilevare automaticamente la frequenza di risonanza individuale e quindi mantenere le vibrazioni all'interno della modalità di emergenza senza attivare i sensori di emergenza.
Presso la centrale idroelettrica, l'opera di sabotaggio software ha richiesto l'utilizzo del “fattore umano”. Qualcuno ha dovuto in qualche modo spegnere il server di controllo delle vibrazioni e prima di trasferire agli sviluppatori del software di sabotaggio i parametri delle risonanze di una particolare unità turbina, che sono stati rimossi da esso sei mesi prima dell'incidente durante una riparazione programmata.
Il resto era una questione di tecnica.
Non c'è bisogno di pensare che la risonanza sia avvenuta nel corpo stesso del rotore della turbina, ovviamente no. È stata provocata la risonanza dello strato d'acqua, saturato da cavità elastiche di cavitazione, posto tra il rotore della turbina e le palette di guida.
In modo semplificato, si può immaginare una simile analogia, in fondo è presente una molla costituita da cavità di cavitazione tra il rotore della turbina e le pale delle palette di guida, e tale molla è sorretta da una colonna d'acqua alta cento metri. Risulta un circuito oscillatorio ideale. Far oscillare un tale sistema a pendolo è un compito molto reale.
È a causa di questa risonanza TUTTI le pale delle palette di guida erano rotte, e non meccanicamente, da urti, ma rotte da un carico dinamico. Ecco una foto di queste lame rotte, non ci sono tracce di urti meccanici sulle loro superfici:
Le pale rotte delle palette di guida hanno bloccato il foro di scarico della turbina, e fu da questa circostanza imprevista che l'incidente iniziò a trasformarsi in una catastrofe.
Il rotore della turbina assomigliava all'elica di una superpetroliera e iniziò a ruotare in una "tanica d'acqua chiusa" con una massa di un migliaio e mezzo di tonnellate e una velocità di rotazione di 150 giri / min. Nell'area di lavoro della turbina si è creata una tale sovrapressione d'acqua che il coperchio è stato strappato e la turbina stessa, secondo testimoni oculari, insieme al rotore del generatore (un colosso di 1.500 tonnellate) è volata fino a il soffitto della sala turbine.
Quello che era più noto a tutti.
