Dit is het tweede artikel over het gebruik van resonanties om fysieke objecten te vernietigen.
Het eerste artikel "De Russische voetafdruk van het Stuxnet-virus" was inleidend en bedoeld voor een breed lekenpubliek.
Het is tijd om deze methode in detail te leren kennen en bekijk eerst de video met een visueel voorbeeld van resonantie, daarna denk ik dat het onderwerp van het artikel duidelijker zal worden, omdat het beter is om één keer te zien dan honderd keer te lezen…
Hier is een filmpje:
Hier is nog een:
Behandel resonantie dus met respect.
Zo beroemd, onbekend bij Stuxnet
Het wereldberoemde Stuxnet-virus is inmiddels een soort horrorverhaal geworden, iedereen kent het, maar niemand begrijpt helemaal hoe hij twee jaar lang in het geheim centrifuges voor uraniumverrijking wist te vernietigen. Dit is niet eens sabotage, maar een meer geavanceerde methode van sabotage - sabotage.
Denk maar aan de loop van twee jaar, honderden centrifuges vallen constant uit, alle productieschema's worden verstoord, specialisten worden "op hun oren" geroepen en kunnen niets doen totdat er een bericht komt uit Wit-Rusland over de detectie van een virus, de gevechtslast waarvan de update-modules van de interne software voor industriële automatisering van Siemens waren.
Dit virus kreeg vervolgens de naam Stuxnet. We hebben de gebruikte infectiemethode ontdekt, met de methoden van penetratie tot op kernelniveau en de methode om de wachtwoordbeveiliging van Simatic S7-controllers in het lokale netwerk te kraken. We begrepen iets van wat de door virussen bijgewerkte firmware van de centrifugegroepcontroller doet.
Maar niemand heeft de fysieke methode uitgelegd om apparatuur uit te schakelen bij deze sabotage. Daarom zullen we zelf proberen dit belangrijkste raadsel te achterhalen.
Wat weten we
Hier is deze Simatic S7-controller geassembleerd met perifere modules:
De microprocessoreenheid zelf is een doos met een blauwe sleutel, al het andere is randapparatuur. De microcontroller-software (er wordt een speciale STEP 7-tolktaal gebruikt) bevindt zich in het interne flashgeheugen. Het updaten van de software en firmware van de controller zelf gebeurt via het netwerk, of fysiek, via een verwisselbare flashdrive. Dergelijke controllers waren groepsbesturingsapparaten voor 31 gascentrifuges tegelijk.
Maar ze braken direct centrifuges door andere apparaten, - een frequentieomvormer voor het aandrijven van een elektromotor, ongeveer als volgt:
Zo zien frequentieomvormers (omvormers) voor asynchrone elektromotoren van verschillende vermogens eruit. De naam impliceert het functionele doel van dit apparaat, het zet de spanning van een standaardnetwerk (drie fasen 360V) om in een driefasige spanning met een andere frequentie en een ander vermogen. Spanningsconversie wordt geregeld door signalen van het netwerk of handmatig ingesteld vanaf het bedieningspaneel.
Eén Simatic S7-controller bestuurde onmiddellijk een groep (31 apparaten) frequentieomvormers, het was een groepsbesturingseenheid voor 31 centrifuges.
Zoals de specialisten ontdekten, was de semantiek van de groepsbesturingscontrollersoftware sterk gewijzigd door het Stuxnet-virus en beschouwden zij de uitgifte van groepsbesturingscommando's aan frequentieomvormers door de gewijzigde software van de Simatic S7-controller als de directe oorzaak van centrifugestoringen.
De software van het door het virus gewijzigde besturingsapparaat veranderde de werkfrequentie van elke frequentieomvormer eenmaal gedurende een periode van vijf uur gedurende 15 minuten, en dienovereenkomstig de rotatiesnelheid van de daarop aangesloten elektromotor van de centrifuge.
Zo wordt het beschreven in een studie van Semantic:
Zo wordt de snelheid van de motor gewijzigd van 1410Hz naar 2Hz naar 1064Hz en dan weer opnieuw. Bedenk dat de normale werkfrequentie op dit moment tussen 807 Hz en 1210 Hz zou moeten liggen.
Het motortoerental verandert dus van 1410 Hz in stappen van 2 Hz naar 1064 Hz en keert dan terug. Ter herinnering: de normale werkfrequentie werd op dat moment gehandhaafd tussen 807 Hz en 1210 Hz.
En de Semantic concludeert op basis hiervan:
Zo saboteert Stuxnet het systeem door de motor op verschillende tijdstippen te vertragen of te versnellen tot verschillende snelheden
(Dus Stuxnet saboteert het systeem door de motor op verschillende tijdstippen te vertragen of te versnellen naar verschillende snelheden.)
Voor moderne programmeurs die alleen natuurkunde en elektrotechniek kennen in het volume van de middelbare school, is dit waarschijnlijk voldoende, maar voor meer competente specialisten is een dergelijke uitleg niet consistent. Een verandering van het toerental van de centrifugerotor binnen het toegestane bereik en een korte overschrijding van de bedrijfsfrequentie met 200 Hz (ongeveer 15%) van de nominale waarde op zich kunnen niet leiden tot massale uitval van apparatuur.
Enkele technische details
Zo ziet een cascade van gascentrifuges voor de productie van verrijkt uranium eruit:
Er zijn tientallen van dergelijke cascades in uraniumverrijkingsfabrieken, het totale aantal centrifuges overschrijdt 20-30 duizend …
De centrifuge zelf is een vrij eenvoudig ontwerp, hier is de schematische tekening:
Maar deze constructieve eenvoud is bedrieglijk, feit is dat de rotor van zo'n centrifuge, ongeveer twee meter lang, draait met een snelheid van ongeveer 50.000 rpm. Het balanceren van een rotor met een complexe ruimtelijke configuratie, bijna twee meter lang, is een zeer moeilijke taak.
Daarnaast zijn speciale methoden van rotorophanging in lagers vereist; hiervoor worden speciale flexibele naaldlagers gebruikt, compleet met een complexe zelfinstellende magnetische ophanging.
Voor de betrouwbaarheid van gascentrifuges is het grootste probleem de resonantie van de mechanische structuur, die gepaard gaat met bepaalde rotatiesnelheden van de rotor. Op deze basis worden zelfs gascentrifuges ingedeeld. Een centrifuge die werkt met een rotorsnelheid boven de resonante snelheid wordt superkritisch genoemd, onder - subkritisch.
Denk niet dat de rotorsnelheid de frequentie is van mechanische resonantie. Niets van de soort, mechanische resonantie is gerelateerd aan de rotatiesnelheid van de centrifugerotor door middel van zeer complexe relaties. De resonantiefrequentie en rotorsnelheid kunnen een orde van grootte verschillen.
Een typisch resonantiegebied van een centrifuge is bijvoorbeeld een frequentie in het bereik van 10Hz-100Hz, terwijl de rotorsnelheid 40-50 duizend tpm is. Bovendien is de resonantiefrequentie geen vaste parameter, maar een zwevende, deze hangt af van de huidige bedrijfsmodus van de centrifuge (samenstelling, gastemperatuurdichtheid in de eerste plaats) en speling in de rotorophangingsstructuur.
De belangrijkste taak van de ontwikkelaar van de apparatuur is om te voorkomen dat de centrifuge werkt in modi met verhoogde trillingen (resonanties); hiervoor automatische noodblokkeringssystemen voor trillingsniveau (rekstrookjes), werking bij rotorsnelheden die resonantie van de mechanische structuur veroorzaken (tachometers), verhoogde stroombelasting van de motor (stroombeveiliging).
Noodsystemen worden nooit gecombineerd met apparatuur die verantwoordelijk is voor de normale werking van de installatie, het zijn afzonderlijke, meestal zeer eenvoudige elektromechanische systemen voor het stoppen van werkzaamheden (eenvoudigweg noodschakelaars). U kunt ze dus niet programmatisch uitschakelen en opnieuw configureren.
Collega's uit de VS en Israël moesten een totaal niet-triviale taak oplossen, - vernietig de centrifuge zonder de veiligheidsautomaten te activeren.
En nu over het onbekende hoe het werd gedaan
Met de lichte hand van de vertalers van het wetenschappelijk centrum "NAUTSILUS", die het onderzoek van de Symantik-specialisten in het Russisch vertaalden, waren veel specialisten die het Symantik-rapport in het origineel niet hadden gelezen, van mening dat het ongeval werd veroorzaakt door de bedrijfsspanning frequentie verlaagd tot 2 Hz naar de centrifuge-elektromotor.
Dit is niet het geval, de juiste vertaling staat aan het begin van de tekst van het artikel.
En in principe is het onmogelijk om de frequentie van de voedingsspanning van een snelle inductiemotor te verlagen tot 2 Hz. Zelfs een kortstondige toevoer van een dergelijke laagfrequente spanning naar de wikkelingen zal een kortsluiting in de wikkelingen veroorzaken en de stroombeveiliging activeren.
Alles was veel slimmer gedaan.
De hieronder beschreven methode van excitatie van resonantie in elektromechanische systemen zou kunnen beweren nieuw te zijn, en ik word als de auteur ervan beschouwd, maar het wordt hoogstwaarschijnlijk al gebruikt door de auteurs van het Stuxnet-virus, dus helaas blijft het alleen om te plagiaat…
En toch leg ik het op mijn vingers uit, terwijl ik tegelijkertijd een educatief programma over de basis van de natuurkunde geef. Stel je een enorme lading voor, zeg een ton, hangend aan een kabel, laten we zeggen 10 meter lang. We hebben de eenvoudigste slinger met zijn eigen resonantiefrequentie verkregen.
Stel verder dat je hem met je pink wilt zwaaien, met een inspanning van 1 kg. Een enkele poging zal geen zichtbaar resultaat opleveren.
Dit betekent dat je het herhaaldelijk moet duwen, er een inspanning van 1 kg op uitoefenen, zeg 1000 keer, dan kunnen we aannemen dat zo'n meervoudige inspanning in totaal gelijk zal zijn aan een enkele inspanning van een inspanning per ton, dit is behoorlijk genoeg om zo'n slinger te laten slingeren.
En dus veranderen we van tactiek en beginnen we herhaaldelijk de hangende last met onze pink te duwen, elke keer met een inspanning van 1 kg. Het gaat ons niet meer lukken, omdat we de natuurkunde niet kennen…
En als ze het wisten, dan zouden ze eerst de oscillatieperiode van de slinger berekenen (het gewicht is absoluut onbelangrijk, de ophanging is 10 meter, de zwaartekracht is 1 g) en begonnen de last met deze periode met de pink te duwen. De formule is bekend:
In 10-20 minuten zou deze slinger van een ton slingeren zodat "mama niet huilt".
Bovendien is het niet nodig om met de pink op elke kwaliteit van de slinger te drukken; dit kan één of twee keer en zelfs na honderd oscillaties van de slinger. Alleen zal de opbouwtijd proportioneel toenemen, maar het opbouweffect blijft volledig behouden.
En toch zal ik mensen verrassen die natuurkunde en wiskunde kennen in het volume van de middelbare school (het kennisniveau van een typische moderne programmeur), de oscillatieperiode van zo'n slinger hangt niet af van de oscillatieamplitude, zwaai hem met een millimeter of een meter van het rustpunt, zal de oscillatieperiode en dienovereenkomstig de oscillatiefrequentie van de slinger constant zijn.
Elke ruimtelijke structuur heeft niet eens één, maar meerdere resonantiefrequenties; in feite zijn er meerdere van dergelijke slingers. Gascentrifuges hebben vanwege hun technische kenmerken een zogenaamde hoofdresonantiefrequentie met een hoge kwaliteitsfactor (ze accumuleren effectief trillingsenergie).
Het blijft alleen om de gascentrifuge met een vinger op de resonantiefrequentie te zwaaien. Het is natuurlijk een grap, als er een elektromotor is met een automatisch regelsysteem, dan kan hetzelfde veel onmerkbaarder worden gedaan.
Om dit te doen, moet u de snelheid van de elektromotor in schokken verhogen / verlagen (zoals het virus deed, bij 2 Hz) en deze schokken afgeven met de resonantiefrequentie van de mechanische structuur van de centrifuge.
Met andere woorden, het is noodzakelijk om de motor te voorzien van de frequentie van mechanische resonantie met behulp van een frequentie-spanningsomvormer met variabele frequentie. Het krachtmoment dat optreedt in de motor wanneer de frequentie van de voedingsspanning verandert, wordt met de frequentie van mechanische resonantie naar de behuizing overgebracht en geleidelijk zullen de resonerende oscillaties een niveau bereiken waarop de installatie begint in te storten
Frequentieschommelingen in de buurt van een bepaalde gemiddelde waarde worden "beats" genoemd, dit is een standaardeffect van elke frequentieomvormer, de frequentie, zoals ze zeggen, "loopt" binnen bepaalde limieten, meestal niet meer dan tienden van een procent van de nominale waarde. De saboteurs vermomd als deze natuurlijke frequentieslagen, hun eigen, kunstmatig geïntroduceerde, modulatie van de frequentie van de elektromotor en synchroniseerden deze met de frequentie van mechanische resonantie van de ruimtelijke structuur van de centrifuge.
Ik zal niet meer op het onderwerp ingaan, anders zal ik worden beschuldigd van het schrijven van stapsgewijze instructies voor saboteurs. Daarom laat ik buiten de discussie de vraag over het vinden van de resonantiefrequentie voor een bepaalde centrifuge (deze is individueel voor elke centrifuge). Om dezelfde reden zal ik de methode van "fijne" afstelling niet beschrijven, wanneer het nodig is om te balanceren op het punt om de noodbescherming tegen trillingen te activeren.
Deze taken worden opgelost door middel van de software beschikbare uitgangsspanningsstroomsensoren die in frequentieomvormers zijn geïnstalleerd. Geloof me op mijn woord - dit is heel realiseerbaar, het zijn alleen de algoritmen.
Nogmaals over het ongeval op de Sayano-Shushenskaya HPP
In het vorige artikel werd verondersteld dat het ongeval bij de waterkrachtcentrale op dezelfde manier (door de resonantiemethode) is veroorzaakt als bij een uraniumverrijkingsfabriek in Iran, met behulp van speciale software.
Dit betekent natuurlijk niet dat hetzelfde Stuxnet-virus hier en daar actief was, natuurlijk niet. Hetzelfde fysieke principe van objectvernietiging werkte - een kunstmatig opgewekte resonantie van een mechanische structuur.
De aanwezigheid van resonantie wordt aangegeven door de aanwezigheid van losgeschroefde moeren voor het bevestigen van het turbinedeksel en de metingen van de enige sensor van axiale trillingen die werkte op het moment van het ongeval.
Rekening houdend met het samenvallen van het tijdstip en de oorzaken van het HPP-ongeval met het feit van sabotage in de Iraanse uraniumverrijkingsfabriek, werd het continue vibratiecontrolesysteem uitgeschakeld op het moment van het ongeval, de werking van de eenheid onder controle van de automatisch regelsysteem van de turbine-eenheid, kan worden aangenomen dat de resonantie geen toevallig fenomeen was, maar een door de mens gemaakt fenomeen.
Als deze aanname juist is, dan vereist de vernietiging van de turbine-eenheid, in tegenstelling tot de situatie bij gascentrifuges, handmatig ingrijpen. De bij het HPP beschikbare apparatuur stond de sabotagesoftware niet toe om automatisch de individuele resonantiefrequentie te detecteren en vervolgens de trillingen binnen de noodmodus te houden zonder de noodsensoren te activeren.
Bij de waterkrachtcentrale vereiste het werk van sabotagesoftware het gebruik van de "menselijke factor". Iemand moest op de een of andere manier de vibratiecontroleserver uitschakelen en daarvoor de parameters van de resonanties van een bepaalde turbine-eenheid overdragen aan de ontwikkelaars van de sabotagesoftware, die zes maanden vóór het ongeval tijdens een geplande reparatie ervan werden verwijderd.
De rest was een kwestie van techniek.
Het is niet nodig om te denken dat de resonantie plaatsvond in het lichaam van de turbinerotor, natuurlijk niet. De resonantie van de waterlaag, verzadigd met elastische cavitatieholtes, gelegen tussen de turbinerotor en de leischoepen, werd veroorzaakt.
Op een vereenvoudigde manier kan men zich zo'n analogie voorstellen, aan de onderkant is er een veer gemaakt van cavitatieholten tussen de turbinerotor en de bladen van de leischoepen, en deze veer wordt ondersteund door een waterkolom van honderd meter hoog. Het blijkt een ideaal oscillerend circuit te zijn. Het zwaaien van zo'n slingersysteem is een zeer reële taak.
Het is vanwege deze resonantie ALLE de bladen van de leischoepen waren gebroken, en niet mechanisch, door schokken, maar gebroken door een dynamische belasting. Hier is een foto van deze gebroken messen, er zijn geen sporen van mechanische schokken op hun oppervlak:
De gebroken bladen van de leischoepen blokkeerden het afvoergat van de turbine en het was door deze onvoorziene omstandigheid dat het ongeval zich tot een catastrofe begon te ontwikkelen.
De turbinerotor leek op een supertankerpropeller en begon te draaien in een "gesloten blik water" met een massa van anderhalfduizend ton en een rotatiesnelheid van 150 rpm. In het werkgebied van de turbine ontstond zo'n overdruk van water dat het deksel eraf scheurde en de turbine zelf, volgens ooggetuigen, samen met de rotor van de generator (een kolos van 1.500 ton) naar boven vloog het plafond van de turbinehal.
Wat verder bij iedereen bekend was.
