Este es el segundo artículo sobre el tema del uso de resonancias para destruir objetos físicos.
El primer artículo "La huella rusa del virus Stuxnet" fue introductorio y estaba destinado a una amplia audiencia no especializada.
Es hora de familiarizarse con este método en detalle, y primero, ver el video con un ejemplo visual de resonancia, luego creo que el tema del artículo se aclarará, porque es mejor ver una vez que leer cien veces…
Aquí hay un video:
Aquí está otro:
Así que, por favor, trate la resonancia con respeto.
Tan famoso, desconocido para Stuxnet
El mundialmente famoso virus Stuxnet ya se ha convertido en una especie de historia de terror, todo el mundo lo sabe, pero nadie entiende completamente cómo logró destruir en secreto centrifugadoras para enriquecimiento de uranio durante dos años. Esto ni siquiera es un sabotaje, sino un método de sabotaje más sofisticado: el sabotaje.
Solo piense en el transcurso de dos años, cientos de centrifugadoras se descomponen constantemente, todos los programas de producción se interrumpen, los especialistas se llaman "en sus oídos" y no pueden hacer nada hasta que llegue un mensaje de Bielorrusia sobre la detección de un virus, el carga de combate de los cuales fueron los módulos de actualización del software interno para automatización industrial de Siemens.
Posteriormente, este virus se denominó Stuxnet. Descubrimos el método de infección utilizado, con los métodos de su penetración al nivel del kernel, y el método para descifrar la protección por contraseña de los controladores Simatic S7 en la red local. Entendimos algo de lo que hace el firmware actualizado por virus del controlador del grupo de centrífugas.
Pero nadie ha explicado todavía el método físico para inutilizar el equipo en este acto de sabotaje. Por lo tanto, nosotros mismos intentaremos resolver este acertijo más importante.
Qué sabemos
Aquí está este controlador Simatic S7 ensamblado con módulos periféricos:
La unidad del microprocesador en sí es una caja con una tecla azul, todo lo demás son periféricos. El software del microcontrolador (se utiliza un lenguaje de interpretación especial de STEP 7) se encuentra en la memoria flash interna. La actualización del software y firmware del propio controlador se realiza a través de la red, o físicamente, a través de una unidad flash extraíble. Dichos controladores eran dispositivos de control de grupo para 31 centrifugadoras de gas a la vez.
Pero rompieron directamente las centrífugas a través de otros dispositivos, un convertidor de frecuencia para operar un motor eléctrico, aproximadamente de la siguiente manera:
Así es como se ven los convertidores de frecuencia (convertidores) para motores eléctricos asíncronos de varias potencias. El nombre implica el propósito funcional de este dispositivo, convierte el voltaje de una red estándar (tres fases 360V) en un voltaje trifásico de una frecuencia diferente y una clasificación diferente. La conversión de voltaje se controla mediante señales de la red o se configura manualmente desde el panel de control.
Un controlador Simatic S7 controló inmediatamente un grupo (31 dispositivos) de convertidores de frecuencia, respectivamente, era una unidad de control de grupo para 31 centrífugas.
Como descubrieron los especialistas, la semántica del software del controlador de control de grupo fue muy modificada por el virus Stuxnet, y consideraron la emisión de comandos de control de grupo a los convertidores de frecuencia por el software modificado del controlador Simatic S7 como la causa directa de las averías de la centrífuga..
El software del dispositivo de control modificado por el virus cambió la frecuencia de funcionamiento de cada convertidor de frecuencia durante 15 minutos una vez durante un intervalo de cinco horas y, en consecuencia, la velocidad de rotación del motor eléctrico centrífugo conectado a él.
Así es como se describe en un estudio de Semantic:
Por lo tanto, la velocidad del motor se cambia de 1410Hz a 2Hz a 1064Hz y luego otra vez. Recuerde que la frecuencia de funcionamiento normal en este momento se supone que está entre 807 Hz y 1210 Hz.
Entonces, la velocidad del motor cambia de 1410Hz en pasos de 2Hz a 1064Hz y luego retrocede. Como recordatorio, la frecuencia de funcionamiento normal en este momento se mantuvo entre 807 Hz y 1210 Hz.
Y la Semántica concluye sobre la base de esto:
Por lo tanto, Stuxnet sabotea el sistema desacelerando o acelerando el motor a diferentes velocidades en diferentes momentos.
(Por lo tanto, Stuxnet sabotea el sistema desacelerando o acelerando el motor a diferentes velocidades en diferentes momentos).
Para los programadores modernos que conocen la física y la ingeniería eléctrica solo en el volumen de la escuela secundaria, esto probablemente sea suficiente, pero para los especialistas más competentes, tal explicación no es consistente. Un cambio en la velocidad de rotación del rotor de la centrífuga dentro del rango permitido y un exceso a corto plazo de la frecuencia de operación en 200 Hz (aproximadamente el 15%) del valor nominal en sí mismo no puede conducir a averías masivas del equipo.
Algunos detalles técnicos
Así es como se ve una cascada de centrifugadoras de gas para la producción de uranio enriquecido:
Hay docenas de tales cascadas en las fábricas de enriquecimiento de uranio, el número total de centrifugadoras supera los 20-30 mil …
La centrífuga en sí es un dispositivo bastante simple en diseño, aquí está su dibujo esquemático:
Pero esta simplicidad constructiva es engañosa, lo cierto es que el rotor de dicha centrífuga, de unos dos metros de largo, gira a una velocidad de unas 50.000 rpm. Equilibrar un rotor con una configuración espacial compleja, de casi dos metros de longitud, es una tarea muy difícil.
Además, se requieren métodos especiales de suspensión del rotor en los cojinetes; para esto, se utilizan cojinetes de agujas flexibles especiales, completos con una compleja suspensión magnética autoalineable.
Para la confiabilidad de las centrifugadoras de gas, el principal problema es la resonancia de la estructura mecánica, que está asociada con ciertas velocidades de rotación del rotor. Las centrifugadoras de gas incluso se clasifican sobre esta base. Una centrífuga que opera a una velocidad de rotor superior a la resonante se denomina supercrítica, inferior a subcrítica.
No piense que la velocidad del rotor es la frecuencia de resonancia mecánica. Nada de eso, la resonancia mecánica está relacionada con la velocidad de rotación del rotor de la centrífuga a través de relaciones muy complejas. La frecuencia de resonancia y la velocidad del rotor pueden diferir en un orden de magnitud.
Por ejemplo, un área de resonancia típica de una centrífuga es una frecuencia en el rango de 10Hz-100Hz, mientras que la velocidad del rotor es de 40-50 mil rpm. Además, la frecuencia de resonancia no es un parámetro fijo, sino flotante, depende del modo de funcionamiento actual de la centrífuga (composición, densidad de temperatura del gas en primer lugar) y del juego en la estructura de suspensión del rotor.
La principal tarea del desarrollador del equipo es evitar que la centrífuga opere en modos de mayor vibración (resonancias); para ello, sistemas automáticos de bloqueo de emergencia por nivel de vibración (galgas extensométricas), funcionamiento a velocidades del rotor provocando resonancia de la estructura mecánica (tacómetros), cargas de corriente aumentadas del motor (protección de corriente).
Los sistemas de emergencia nunca se combinan con equipos encargados del funcionamiento normal de la instalación, son sistemas electromecánicos separados, generalmente muy simples, para detener el trabajo (simplemente interruptores de emergencia). Por lo tanto, no puede deshabilitarlos y reconfigurarlos mediante programación.
Colegas de EE. UU. E Israel tuvieron que resolver una tarea completamente no trivial: Destruya la centrífuga sin activar las automáticas de seguridad.
Y ahora sobre lo desconocido como se hizo
Con la mano ligera de los traductores del centro científico "NAUTSILUS", que tradujeron la investigación de los especialistas de Symantik al ruso, muchos especialistas que no leyeron el informe de Symantik en el original opinaron que el accidente fue causado por la tensión de funcionamiento. frecuencia reducida a 2Hz al motor eléctrico de la centrífuga.
Este no es el caso, la traducción correcta se da al comienzo del texto del artículo.
Y, en principio, es imposible reducir la frecuencia de la tensión de alimentación de un motor de inducción de alta velocidad a 2 Hz. Incluso un suministro a corto plazo de un voltaje de baja frecuencia a los devanados provocará un cortocircuito en los devanados y activará la protección de corriente.
Todo se hizo mucho más inteligente.
El método de excitación de resonancia en sistemas electromecánicos que se describe a continuación podría afirmar que es nuevo, y se me considera su autor, pero lo más probable es que ya lo utilicen los autores del virus Stuxnet, por lo que, por desgracia, solo queda por plagiar..
Y, sin embargo, lo explico con los dedos, al mismo tiempo que realizo un programa educativo sobre los conceptos básicos de la física. Imagine una carga masiva, digamos una tonelada, colgada de un cable, digamos 10 metros de largo. Hemos obtenido el péndulo más simple con su propia frecuencia de resonancia.
Suponga además que desea balancearlo con el dedo meñique, aplicando un esfuerzo de 1 kg. Un solo intento no producirá ningún resultado visible.
Esto significa que debe presionarlo repetidamente, aplicando un esfuerzo de 1 kg, digamos 1000 veces, entonces podemos suponer que tal esfuerzo múltiple será equivalente en total a una sola aplicación de un esfuerzo por tonelada, esto es bastante lo suficiente para balancear tal péndulo.
Y así, cambiamos de táctica, y comenzamos a empujar repetidamente la carga suspendida con nuestro dedo meñique, aplicando cada vez un esfuerzo de 1 kg. No volveremos a tener éxito, porque no sabemos física …
Y si supieran, primero calcularían el período de oscilación del péndulo (el peso es absolutamente insignificante, la suspensión es de 10 metros, la fuerza de gravedad es de 1g) y comienzan a empujar la carga con este período con el dedo meñique.. La fórmula es bien conocida:
En 10-20 minutos, este péndulo que pesa una tonelada se balancea para que "mamá no llore".
Además, no es necesario presionar con el dedo meñique sobre todas las cualidades del péndulo; esto se puede hacer una o dos veces, e incluso después de cien oscilaciones del péndulo. Es solo que el tiempo de acumulación aumentará proporcionalmente, pero el efecto de acumulación se conservará por completo.
Y, sin embargo, sorprenderé a las personas que saben física y matemáticas en el volumen de la escuela secundaria (el nivel de conocimiento de un programador moderno típico), el período de oscilación de un péndulo de este tipo no depende de la amplitud de oscilación, oscile un milímetro oa un metro del punto de reposo, el período de oscilación y, en consecuencia, la frecuencia de oscilación del péndulo será constante.
Cualquier estructura espacial no tiene ni una, sino varias frecuencias de resonancia; de hecho, hay varios péndulos de este tipo en ella. Las centrifugadoras de gas, por sus características técnicas, tienen la denominada frecuencia de resonancia principal de factor de alta calidad (acumulan efectivamente energía de vibración).
Solo queda balancear la centrífuga de gas con un dedo a la frecuencia de resonancia. Es una broma, por supuesto, si hay un motor eléctrico con un sistema de control automático, entonces lo mismo se puede hacer de manera mucho más imperceptible.
Para hacer esto, necesita aumentar / disminuir la velocidad del motor eléctrico en sacudidas (como lo hizo el virus, a 2 Hz) y emitir estas sacudidas con la frecuencia de resonancia de la estructura mecánica de la centrífuga.
En otras palabras, es necesario suministrar al motor la frecuencia de resonancia mecánica mediante un convertidor de tensión de frecuencia con frecuencia variable. El momento de fuerza que se produce en el motor cuando cambia la frecuencia de la tensión de alimentación se transmitirá a la carcasa con la frecuencia de resonancia mecánica y gradualmente las oscilaciones resonantes alcanzarán un nivel en el que la instalación comenzará a colapsar
Las fluctuaciones de frecuencia cercanas a un cierto valor promedio se denominan "latidos", este es un efecto estándar de cualquier convertidor de frecuencia, la frecuencia, como dicen, "camina" dentro de ciertos límites, generalmente no más de décimas de porcentaje del nominal. Los saboteadores disfrazaron como estos latidos naturales de frecuencia, la propia, introducida artificialmente, la modulación de la frecuencia del motor eléctrico y la sincronizaron con la frecuencia de resonancia mecánica de la estructura espacial de la centrífuga.
No entraré más en el tema, de lo contrario se me acusará de escribir instrucciones paso a paso para saboteadores. Por lo tanto, fuera de la discusión, dejaré la cuestión de encontrar la frecuencia de resonancia para una centrífuga en particular (es individual para cada centrífuga). Por la misma razón, no describiré el método de ajuste "fino", cuando es necesario equilibrar a punto de activar la protección de emergencia contra vibraciones.
Estas tareas se resuelven mediante los sensores de corriente de tensión de salida disponibles en el software instalados en los convertidores de frecuencia. Créame, esto es bastante realizable, son solo los algoritmos.
Nuevamente sobre el accidente en la CH de Sayano-Shushenskaya
En el artículo anterior, se planteó la hipótesis de que el accidente en la central hidroeléctrica fue causado de la misma manera (por el método de resonancia) que en una planta de enriquecimiento de uranio en Irán, utilizando un software especial.
Esto no significa, por supuesto, que el mismo virus Stuxnet estuviera operando aquí y allá, por supuesto que no. El mismo principio físico de destrucción de objetos funcionó: una resonancia inducida artificialmente de una estructura mecánica.
La presencia de resonancia está indicada por la presencia de tuercas desenroscadas para sujetar la tapa de la turbina y las lecturas del único sensor de vibración axial que estaba funcionando en el momento del accidente.
Teniendo en cuenta la coincidencia del momento y las causas del accidente de la HPP con el hecho del sabotaje en la planta de enriquecimiento de uranio iraní, el sistema de control de vibraciones continuas se apagó en el momento del accidente, el funcionamiento de la unidad bajo el control del sistema de control automático de la unidad de turbina, se puede suponer que la resonancia no fue un fenómeno accidental, sino provocado por el hombre.
Si esta suposición es correcta, entonces, a diferencia de la situación con las centrifugadoras de gas, la tarea de destruir la unidad de turbina requirió una intervención manual. El equipo disponible en el HPP no permitía que el software de sabotaje detectara automáticamente la frecuencia de resonancia individual y luego mantuviera las vibraciones dentro del modo de emergencia sin activar los sensores de emergencia.
En la central hidroeléctrica, el trabajo de software de sabotaje requirió el uso del "factor humano". Alguien tuvo que apagar de alguna manera el servidor de control de vibraciones y, antes de eso, transferir a los desarrolladores del software de sabotaje los parámetros de las resonancias de una unidad de turbina en particular, que se eliminaron seis meses antes del accidente durante una reparación programada.
El resto fue cuestión de técnica.
No es necesario pensar que la resonancia se produjo en el mismo cuerpo del rotor de la turbina, por supuesto que no. Se provocó la resonancia de la capa de agua, saturada de cavidades elásticas de cavitación, ubicada entre el rotor de la turbina y los álabes guía.
De manera simplificada, se puede imaginar tal analogía, en la parte inferior hay un resorte hecho de cavidades de cavitación entre el rotor de la turbina y las palas de las paletas de guía, y este resorte está sostenido por una columna de agua de cien metros de altura. Resulta un circuito oscilatorio ideal. Hacer pivotar un sistema de péndulo de este tipo es una tarea muy real.
Es por esta resonancia TODOS las palas de las paletas de guía se rompieron, y no mecánicamente, por impactos, sino que se rompieron por una carga dinámica. Aquí hay una foto de estas cuchillas rotas, no hay rastros de golpes mecánicos en sus superficies:
Las palas rotas de las paletas de guía bloquearon el orificio de drenaje de la turbina, y fue a partir de esta circunstancia imprevista que el accidente comenzó a convertirse en una catástrofe.
El rotor de la turbina se parecía a una hélice de superpetrolero y comenzó a girar en una "lata de agua cerrada" con una masa de mil quinientas toneladas y una velocidad de rotación de 150 rpm. En la zona de trabajo de la turbina se creó tal sobrepresión de agua que se arrancó la tapa y la propia turbina, según testigos presenciales, junto con el rotor del generador (un coloso de 1.500 toneladas) voló hasta el techo de la sala de turbinas.
Lo que más conocían todos.
