Dies ist der zweite Artikel zum Thema Resonanzen zur Zerstörung physischer Objekte.
Der erste Artikel „Der russische Fußabdruck des Stuxnet-Virus“war einleitend und für ein breites Laienpublikum gedacht.
Es ist an der Zeit, sich mit dieser Methode im Detail vertraut zu machen, und sehen Sie sich zuerst das Video mit einem visuellen Resonanzbeispiel an. Danach wird das Thema des Artikels meiner Meinung nach klarer, denn es ist besser, einmal zu sehen als hundert Mal zu lesen…
Hier ist ein Video:
Hier ist ein anderes:
Bitte behandeln Sie Resonanz daher mit Respekt.
So berühmt, Stuxnet unbekannt
Das weltberühmte Stuxnet-Virus ist mittlerweile zu einer Art Horrorgeschichte geworden, jeder kennt es, aber niemand versteht so recht, wie er es geschafft hat, zwei Jahre lang heimlich Zentrifugen zur Urananreicherung zu zerstören. Dies ist nicht einmal Sabotage, sondern eine ausgefeiltere Methode der Sabotage - Sabotage.
Denken Sie nur über zwei Jahre nach, Hunderte von Zentrifugen fallen ständig aus, alle Produktionspläne sind gestört, Spezialisten werden "auf die Ohren" gerufen und können nichts tun, bis eine Nachricht aus Weißrussland über den Nachweis eines Virus kommt, der Kampflast davon waren die Update-Module der internen Software für die Industrieautomation von Siemens.
Später wurde dieser Virus Stuxnet genannt. Wir haben die verwendete Infektionsmethode mit den Methoden des Eindringens in die Kernel-Ebene und die Methode zum Knacken des Passwortschutzes von Simatic-S7-Steuerungen im lokalen Netzwerk herausgefunden. Wir haben etwas davon verstanden, was die virenaktualisierte Firmware des Zentrifugengruppen-Controllers macht.
Aber noch hat niemand die physikalische Methode erklärt, Ausrüstung bei diesem Sabotageakt zu deaktivieren. Daher werden wir selbst versuchen, dieses wichtigste Rätsel zu lösen.
Was wissen wir
Hier ist diese Simatic S7-Steuerung bestückt mit Peripheriemodulen:
Die Mikroprozessoreinheit selbst ist eine Box mit blauem Schlüssel, alles andere ist Peripherie. Die Mikrocontroller-Software (verwendet wird eine spezielle STEP 7-Interpretersprache) befindet sich im internen Flash-Speicher. Das Aktualisieren der Software und Firmware des Controllers selbst erfolgt über das Netzwerk oder physisch über ein austauschbares Flash-Laufwerk. Solche Controller waren Gruppensteuergeräte für 31 Gaszentrifugen auf einmal.
Aber sie haben Zentrifugen direkt durch andere Geräte gebrochen, - einen Frequenzumrichter zum Betreiben eines Elektromotors, ungefähr wie folgt:
So sehen Frequenzumrichter (Umrichter) für asynchrone Elektromotoren unterschiedlicher Leistung aus. Der Name impliziert den funktionalen Zweck dieses Geräts, es wandelt die Spannung eines Standardnetzes (drei Phasen 360 V) in eine dreiphasige Spannung einer anderen Frequenz und einer anderen Nennleistung um. Die Spannungsumwandlung wird durch Signale aus dem Netzwerk gesteuert oder manuell über das Bedienfeld eingestellt.
Eine Simatic S7-Steuerung steuerte sofort eine Gruppe (31 Geräte) von Frequenzumrichtern bzw. war eine Gruppensteuerung für 31 Zentrifugen.
Wie die Spezialisten herausfanden, wurde die Semantik der Software der Gruppensteuerungssteuerung durch den Stuxnet-Virus stark verändert und sahen die Ausgabe von Gruppensteuerungsbefehlen an Frequenzumrichter durch die geänderte Software der Simatic-S7-Steuerung als direkte Ursache für Zentrifugenausfälle.
Die durch den Virus veränderte Software des Steuergeräts änderte die Betriebsfrequenz jedes Frequenzumrichters einmal während eines Fünf-Stunden-Intervalls für 15 Minuten und dementsprechend die Drehzahl des daran angeschlossenen Zentrifugen-Elektromotors.
So wird es in einer Studie von Semantic beschrieben:
Somit wird die Drehzahl des Motors von 1410 Hz auf 2 Hz auf 1064 Hz und dann wieder geändert. Denken Sie daran, dass die normale Betriebsfrequenz zu diesem Zeitpunkt zwischen 807 Hz und 1210 Hz liegen soll.
Die Motordrehzahl ändert sich also von 1410 Hz in 2 Hz-Schritten auf 1064 Hz und kehrt dann zurück. Zur Erinnerung: Die normale Betriebsfrequenz wurde zu diesem Zeitpunkt zwischen 807 Hz und 1210 Hz gehalten.
Und daraus schließt die Semantik:
So sabotiert Stuxnet das System, indem es den Motor zu unterschiedlichen Zeiten auf unterschiedliche Geschwindigkeiten verlangsamt oder beschleunigt
(So sabotiert Stuxnet das System, indem es den Motor zu unterschiedlichen Zeiten auf unterschiedliche Geschwindigkeiten verlangsamt oder beschleunigt.)
Für moderne Programmierer, die Physik und Elektrotechnik erst im Umfang der Sekundarstufe kennen, reicht das wahrscheinlich, aber für kompetentere Spezialisten ist eine solche Erklärung nicht schlüssig. Eine Drehzahländerung des Zentrifugenrotors im zulässigen Bereich und eine kurzzeitige Überschreitung der Betriebsfrequenz um 200 Hz (ca. 15 %) gegenüber dem Nennwert allein können nicht zu massiven Geräteausfällen führen.
Einige technische Details
So sieht eine Kaskade von Gaszentrifugen zur Herstellung von angereichertem Uran aus:
In Urananreicherungsfabriken gibt es Dutzende solcher Kaskaden, die Gesamtzahl der Zentrifugen überschreitet 20-30 Tausend …
Die Zentrifuge selbst ist ein ziemlich einfaches Gerät im Design, hier ist ihre schematische Zeichnung:
Aber diese konstruktive Einfachheit täuscht, Tatsache ist, dass der Rotor einer solchen Zentrifuge, etwa zwei Meter lang, mit einer Geschwindigkeit von etwa 50.000 U / min rotiert. Das Auswuchten eines Rotors mit einer komplexen räumlichen Konfiguration von fast zwei Metern Länge ist eine sehr schwierige Aufgabe.
Darüber hinaus sind spezielle Methoden der Rotoraufhängung in Lagern erforderlich, hierfür werden spezielle flexible Nadellager verwendet, komplett mit einer komplexen selbstausrichtenden Magnetaufhängung.
Für die Zuverlässigkeit von Gaszentrifugen ist das Hauptproblem die Resonanz des mechanischen Aufbaus, die mit bestimmten Drehzahlen des Rotors verbunden ist. Auf dieser Grundlage werden sogar Gaszentrifugen kategorisiert. Eine Zentrifuge, die mit einer Rotordrehzahl über der resonanten arbeitet, wird als überkritisch bezeichnet, im Folgenden als unterkritisch.
Denken Sie nicht, dass die Rotordrehzahl die Frequenz der mechanischen Resonanz ist. Nichts dergleichen, mechanische Resonanz ist durch sehr komplexe Zusammenhänge mit der Drehzahl des Zentrifugenrotors verbunden. Resonanzfrequenz und Rotordrehzahl können sich um eine Größenordnung unterscheiden.
Ein typischer Resonanzbereich einer Zentrifuge ist beispielsweise eine Frequenz im Bereich von 10 Hz bis 100 Hz, während die Rotordrehzahl 40 bis 50 Tausend U / min beträgt. Darüber hinaus ist die Resonanzfrequenz kein fester Parameter, sondern ein schwebender Parameter, sie hängt von der aktuellen Betriebsart der Zentrifuge (Zusammensetzung, Gastemperaturdichte in erster Linie) und dem Spiel in der Rotoraufhängungsstruktur ab.
Die Hauptaufgabe des Geräteentwicklers besteht darin, zu verhindern, dass die Zentrifuge in den Modi erhöhter Schwingungen (Resonanzen) arbeitet; dazu automatische Notsperrsysteme für Schwingungspegel (DMS), Betrieb bei Rotordrehzahlen, die Resonanzen der mechanischen Struktur verursachen (Tachometer)), erhöhte Strombelastungen des Motors (Stromschutz).
Notsysteme werden niemals mit Geräten kombiniert, die für den normalen Betrieb der Anlage verantwortlich sind, es sind separate, in der Regel sehr einfache elektromechanische Systeme zum Stoppen der Arbeit (einfach Notschalter). Sie können sie also nicht programmgesteuert deaktivieren und neu konfigurieren.
Kollegen aus den USA und Israel mussten eine ganz und gar nicht triviale Aufgabe lösen,- Zentrifuge zerstören, ohne die Sicherheitsautomatik auszulösen.
Und nun über das Unbekannte, wie es gemacht wurde
Mit der leichten Hand der Übersetzer des Wissenschaftszentrums "NAUTSILUS", die die Recherchen der Symantik-Spezialisten ins Russische übersetzten, waren viele Spezialisten, die den Symantik-Bericht im Original nicht gelesen hatten, der Meinung, dass der Unfall durch die Betriebsspannung verursacht wurde Frequenz auf 2Hz zum Zentrifugen-Elektromotor reduziert.
Dies ist nicht der Fall, die korrekte Übersetzung steht am Anfang des Textes des Artikels.
Und im Prinzip ist es unmöglich, die Frequenz der Versorgungsspannung eines Hochgeschwindigkeits-Induktionsmotors auf 2 Hz zu reduzieren. Selbst eine kurzzeitige Zufuhr einer solchen niederfrequenten Spannung an die Wicklungen führt zu einem Kurzschluss in den Wicklungen und löst einen Stromschutz aus.
Alles wurde viel intelligenter gemacht.
Die unten beschriebene Methode der Resonanzanregung in elektromechanischen Systemen könnte behaupten, neu zu sein, und ich werde als ihr Autor angesehen, aber sie wird höchstwahrscheinlich bereits von den Autoren des Stuxnet-Virus verwendet, so dass es leider nur noch zum Plagiieren bleibt…
Und trotzdem erkläre ich an meinen Fingern und führe gleichzeitig ein Vermittlungsprogramm zu den Grundlagen der Physik durch. Stellen Sie sich eine riesige Last vor, sagen wir eine Tonne, die an einem Kabel hängt, sagen wir 10 Meter lang. Wir haben das einfachste Pendel mit eigener Resonanzfrequenz erhalten.
Angenommen, Sie möchten es mit Ihrem kleinen Finger mit einer Kraft von 1 kg schwingen. Ein einzelner Versuch führt zu keinem sichtbaren Ergebnis.
Dies bedeutet, dass Sie es wiederholt mit einer Kraft von 1 kg, sagen wir 1000 Mal, drücken müssen, dann können wir davon ausgehen, dass eine solche Mehrfachkraft insgesamt einer einzigen Kraftanwendung pro Tonne entspricht, das ist ziemlich genug, um ein solches Pendel zu schwingen.
Also ändern wir die Taktik und fangen an, die schwebende Last mit unserem kleinen Finger wiederholt zu schieben, jedes Mal mit einer Kraft von 1 kg. Wir werden es nicht wieder schaffen, weil wir Physik nicht kennen …
Und wenn sie es wüssten, dann würden sie zuerst die Schwingungsdauer des Pendels berechnen (das Gewicht ist absolut unwichtig, die Aufhängung beträgt 10 Meter, die Schwerkraft beträgt 1 g) und begannen die Last mit dieser Periode mit dem kleinen Finger zu schieben. Die Formel ist bekannt:
In 10-20 Minuten würde dieses tonnenschwere Pendel schwingen, damit "Mama nicht weint".
Außerdem ist es nicht notwendig, mit dem kleinen Finger auf jede Eigenschaft des Pendels zu drücken, dies kann ein- oder zweimal und sogar nach hundert Schwingungen des Pendels erfolgen. Die Aufbauzeit erhöht sich nur proportional, der Aufbaueffekt bleibt jedoch vollständig erhalten.
Und doch werde ich Leute überraschen, die Physik und Mathematik im Umfang der Sekundarstufe (dem Wissensstand eines typischen modernen Programmierers) kennen, die Schwingungsdauer eines solchen Pendels hängt nicht von der Schwingungsamplitude ab, schwinge es um einen Millimeter oder einen Meter vom Ruhepunkt entfernt, ist die Schwingungsdauer und dementsprechend die Schwingungsfrequenz des Pendels konstant.
Jede Raumstruktur hat nicht einmal eine, sondern mehrere Resonanzfrequenzen; tatsächlich gibt es mehrere solcher Pendel in ihr. Gaszentrifugen haben aufgrund ihrer technischen Eigenschaften eine sogenannte Hauptresonanzfrequenz mit hohem Qualitätsfaktor (sie speichern effektiv Schwingungsenergie).
Es bleibt nur, die Gaszentrifuge mit einem Finger bei der Resonanzfrequenz zu schwingen. Es ist natürlich ein Witz, wenn es einen Elektromotor mit automatischer Steuerung gibt, dann geht das auch viel unmerklicher.
Dazu müssen Sie die Drehzahl des Elektromotors ruckartig erhöhen / verringern (wie das Virus mit 2 Hz) und diese Rucke mit der Resonanzfrequenz der mechanischen Struktur der Zentrifuge ausgeben.
Mit anderen Worten, es ist notwendig, den Motor mit der Frequenz mechanischer Resonanz unter Verwendung eines Frequenzumrichters mit variabler Frequenz zu versorgen. Das Kraftmoment, das im Motor auftritt, wenn sich die Frequenz der Versorgungsspannung ändert, wird mit der Frequenz der mechanischen Resonanz auf das Gehäuse übertragen und allmählich erreichen die Resonanzschwingungen ein Niveau, bei dem die Installation zu kollabieren beginnt
Frequenzschwankungen in der Nähe eines bestimmten Durchschnittswerts werden als "Schläge" bezeichnet, dies ist ein Standardeffekt jedes Frequenzumrichters, die Frequenz "wandert" sich, wie sie sagen, innerhalb bestimmter Grenzen, normalerweise nicht mehr als Zehntelprozent des Nennwerts. Die Saboteure verkleideten als diese natürlichen Frequenzschläge ihre eigene, künstlich eingeführte Modulation der Frequenz des Elektromotors und synchronisierten sie mit der Frequenz der mechanischen Resonanz der Raumstruktur der Zentrifuge.
Ich gehe nicht mehr auf das Thema ein, sonst werde ich beschuldigt, Schritt-für-Schritt-Anleitungen für Saboteure zu schreiben. Daher lasse ich die Frage nach der Ermittlung der Resonanzfrequenz für eine bestimmte Zentrifuge (sie ist für jede Zentrifuge individuell) außerhalb der Diskussion. Aus dem gleichen Grund werde ich die Methode der "Feineinstellung" nicht beschreiben, wenn es erforderlich ist, kurz vor dem Auslösen des Notschutzes gegen Vibrationen auszuwuchten.
Diese Aufgaben werden durch die in Frequenzumrichtern installierten, softwaremäßig verfügbaren Ausgangsspannungs-Stromsensoren gelöst. Nehmen Sie mich beim Wort - das ist durchaus realisierbar, es sind nur die Algorithmen.
Nochmals zum Unfall in der Sayano-Sushenskaya HPP
Im vorherigen Artikel wurde die Hypothese aufgestellt, dass der Unfall im Wasserkraftwerk auf die gleiche Weise (durch das Resonanzverfahren) verursacht wurde wie in einer Urananreicherungsanlage im Iran, mit einer speziellen Software.
Das heißt natürlich nicht, dass hier und da der gleiche Stuxnet-Virus operierte, natürlich nicht. Das gleiche physikalische Prinzip der Objektzerstörung funktionierte - eine künstlich herbeigeführte Resonanz einer mechanischen Struktur.
Das Vorhandensein von Resonanz wird durch das Vorhandensein von abgeschraubten Muttern zur Befestigung des Turbinendeckels und den Messwerten des einzigen Sensors für axiale Schwingungen angezeigt, der zum Zeitpunkt des Unfalls in Betrieb war.
Unter Berücksichtigung des Zusammentreffens von Zeitpunkt und Ursachen des HPP-Unfalls mit der Sabotage an der iranischen Urananreicherungsanlage wurde das kontinuierliche Schwingungskontrollsystem zum Unfallzeitpunkt abgeschaltet, der Betrieb der Anlage unter der Kontrolle des automatische Steuerung der Turbineneinheit, kann davon ausgegangen werden, dass die Resonanz kein zufälliges, sondern ein vom Menschen verursachtes Phänomen war.
Trifft diese Annahme zu, so erforderte die Zerstörung der Turbineneinheit im Gegensatz zu Gaszentrifugen einen manuellen Eingriff. Die am HPP vorhandene Ausstattung erlaubte es der Sabotage-Software nicht, automatisch die individuelle Resonanzfrequenz zu erkennen und die Schwingungen dann im Notfallmodus zu halten, ohne die Notfallsensoren auszulösen.
Beim Wasserkraftwerk erforderte die Arbeit der Sabotagesoftware den Einsatz des „Faktors Mensch“. Irgendjemand musste den Vibrationskontrollserver irgendwie abschalten und zuvor den Entwicklern der Sabotagesoftware die Parameter der Resonanzen einer bestimmten Turbineneinheit übertragen, die sechs Monate vor dem Unfall bei einer planmäßigen Reparatur daraus entfernt wurden.
Der Rest war eine Frage der Technik.
Man muss nicht daran denken, dass die Resonanz im Körper des Turbinenrotors selbst aufgetreten ist, natürlich nicht. Die Resonanz der mit elastischen Kavitationshohlräumen gesättigten Wasserschicht, die sich zwischen dem Turbinenrotor und den Leitschaufeln befindet, wurde verursacht.
Vereinfacht kann man sich eine solche Analogie vorstellen, unten befindet sich zwischen dem Turbinenrotor und den Schaufeln der Leitschaufeln eine Feder aus Kavitationshohlräumen, die von einer hundert Meter hohen Wassersäule getragen wird. Es stellt sich ein idealer Schwingkreis heraus. Ein solches Pendelsystem zu schwingen ist eine sehr reale Aufgabe.
Es ist wegen dieser Resonanz ALLE die Schaufeln der Leitschaufeln waren gebrochen, und zwar nicht mechanisch durch Stöße, sondern durch eine dynamische Belastung. Hier ist ein Foto dieser gebrochenen Klingen, es gibt keine Spuren von mechanischen Stößen auf ihren Oberflächen:
Die gebrochenen Schaufeln der Leitschaufeln blockierten die Ablauföffnung der Turbine, und aus diesem unvorhergesehenen Umstand entwickelte sich der Unfall zu einer Katastrophe.
Der Turbinenrotor ähnelte einem Supertanker-Propeller und begann in einer "geschlossenen Wasserkanne" mit einer Masse von anderthalbtausend Tonnen und einer Drehzahl von 150 U / min zu rotieren. Im Arbeitsbereich der Turbine entstand ein solcher Wasserüberdruck, dass der Deckel abgerissen wurde und die Turbine selbst laut Augenzeugen zusammen mit dem Rotor des Generators (ein Koloss von 1.500 Tonnen) bis zu die Decke der Turbinenhalle.
Was weiter jedem bekannt war.
