Ceci est le deuxième article sur le sujet de l'utilisation des résonances pour détruire des objets physiques.
Le premier article « L'empreinte russe du virus Stuxnet » était introductif et était destiné à un large public profane.
Il est temps de se familiariser avec cette méthode en détail, et d'abord, regardez la vidéo avec un exemple visuel de résonance, après cela je pense que le sujet de l'article deviendra plus clair, car il vaut mieux voir une fois que lire cent fois…
Voici une vidéo:
En voici un autre:
Alors s'il vous plaît, traitez la résonance avec respect.
Si célèbre, inconnu de Stuxnet
Le célèbre virus Stuxnet est désormais devenu une sorte d'histoire d'horreur, tout le monde le sait, mais personne ne comprend parfaitement comment il a réussi à détruire secrètement des centrifugeuses pour l'enrichissement d'uranium pendant deux ans. Ce n'est même pas du sabotage, mais une méthode de sabotage plus sophistiquée - le sabotage.
Il suffit de penser qu'en deux ans, des centaines de centrifugeuses tombent en panne en permanence, tous les calendriers de production sont perturbés, les spécialistes sont appelés "à l'oreille" et ne peuvent rien faire tant qu'un message de Biélorussie ne parvient pas à propos de la détection d'un virus, le dont la charge de combat était constituée des modules de mise à jour du logiciel interne pour l'automatisation industrielle de Siemens.
Par la suite, ce virus a été nommé Stuxnet. Nous avons compris la méthode d'infection utilisée, avec les méthodes de pénétration au niveau du noyau, et la méthode de craquage de la protection par mot de passe des contrôleurs Simatic S7 dans le réseau local. Nous avons compris quelque chose de ce que fait le micrologiciel mis à jour par les virus du contrôleur de groupe de centrifugeuses.
Mais personne n'a encore expliqué la méthode physique de désactivation des équipements dans cet acte de sabotage. Par conséquent, nous essaierons nous-mêmes de résoudre cette énigme la plus importante.
Que savons-nous
Voici ce contrôleur Simatic S7 assemblé avec des modules périphériques:
L'unité de microprocesseur elle-même est une boîte avec une clé bleue, tout le reste est des périphériques. Le logiciel du microcontrôleur (un langage d'interprétation spécial STEP 7 est utilisé) se trouve dans la mémoire flash interne. La mise à jour du logiciel et du micrologiciel du contrôleur lui-même s'effectue via le réseau, ou physiquement, via un lecteur flash amovible. Ces contrôleurs étaient des dispositifs de contrôle de groupe pour 31 centrifugeuses à gaz à la fois.
Mais ils ont directement cassé les centrifugeuses à travers d'autres appareils, - un convertisseur de fréquence pour faire fonctionner un moteur électrique, à peu près comme suit:
Voici à quoi ressemblent les convertisseurs de fréquence (convertisseurs) pour moteurs électriques asynchrones de différentes puissances. Le nom implique l'objectif fonctionnel de cet appareil, il convertit la tension d'un réseau standard (triphasé 360V) en une tension triphasée de fréquence différente et de calibre différent. La conversion de tension est contrôlée par les signaux du réseau ou réglée manuellement à partir du panneau de commande.
Un contrôleur Simatic S7 contrôlait immédiatement un groupe (31 appareils) de convertisseurs de fréquence, respectivement, c'était une unité de contrôle de groupe pour 31 centrifugeuses.
Comme les spécialistes l'ont découvert, la sémantique du logiciel du contrôleur de contrôle de groupe a été fortement modifiée par le virus Stuxnet, et ils ont considéré l'émission de commandes de contrôle de groupe aux convertisseurs de fréquence par le logiciel modifié du contrôleur Simatic S7 comme la cause directe des pannes de la centrifugeuse..
Le logiciel du dispositif de contrôle modifié par le virus a modifié la fréquence de fonctionnement de chaque convertisseur de fréquence pendant 15 minutes une fois pendant un intervalle de cinq heures et, par conséquent, la vitesse de rotation du moteur électrique de la centrifugeuse qui lui est connecté.
C'est ainsi qu'il est décrit dans une étude de Semantic:
Ainsi, la vitesse du moteur est modifiée de 1410 Hz à 2 Hz à 1064 Hz, puis à nouveau. Rappelons que la fréquence de fonctionnement normale à ce moment est supposée être comprise entre 807 Hz et 1210 Hz.
Ainsi, la vitesse du moteur passe de 1410 Hz par pas de 2 Hz à 1064 Hz, puis s'inverse. Pour rappel, la fréquence normale de fonctionnement à cette époque était maintenue entre 807 Hz et 1210 Hz.
Et la Sémantique conclut sur la base de ceci:
Ainsi, Stuxnet sabote le système en ralentissant ou en accélérant le moteur à des vitesses différentes à des moments différents
(Ainsi, Stuxnet sabote le système en ralentissant ou en accélérant le moteur à différentes vitesses à différents moments.)
Pour les programmeurs modernes qui ne connaissent la physique et l'électrotechnique que dans le volume du secondaire, cela suffit probablement, mais pour les spécialistes plus compétents, une telle explication n'est pas cohérente. Une modification de la vitesse de rotation du rotor de la centrifugeuse dans la plage autorisée et un dépassement à court terme de la fréquence de fonctionnement de 200 Hz (environ 15 %) par rapport à la valeur nominale ne peuvent en soi entraîner des pannes massives d'équipement.
Quelques détails techniques
Voici à quoi ressemble une cascade de centrifugeuses à gaz pour la production d'uranium enrichi:
Il existe des dizaines de telles cascades dans les usines d'enrichissement d'uranium, le nombre total de centrifugeuses dépasse 20 à 30 000 …
La centrifugeuse elle-même est un appareil assez simple dans sa conception, voici son dessin schématique:
Mais cette simplicité constructive est trompeuse, le fait est que le rotor d'une telle centrifugeuse, d'environ deux mètres de long, tourne à une vitesse d'environ 50 000 tr/min. Équilibrer un rotor avec une configuration spatiale complexe, de près de deux mètres de long, est une tâche très difficile.
De plus, des méthodes spéciales de suspension du rotor dans les roulements sont nécessaires; pour cela, des roulements à aiguilles flexibles spéciaux sont utilisés, complétés par une suspension magnétique complexe à alignement automatique.
Pour la fiabilité des centrifugeuses à gaz, le problème principal est la résonance de la structure mécanique, qui est associée à certaines vitesses de rotation du rotor. Les centrifugeuses à gaz sont même classées sur cette base. Une centrifugeuse fonctionnant à une vitesse de rotor supérieure à celle de résonance est appelée supercritique, inférieure à - sous-critique.
Ne pensez pas que la vitesse du rotor est la fréquence de résonance mécanique. Rien de tel, la résonance mécanique n'est liée à la vitesse de rotation du rotor de la centrifugeuse par des relations très complexes. La fréquence de résonance et la vitesse du rotor peuvent différer d'un ordre de grandeur.
Par exemple, une zone de résonance typique d'une centrifugeuse est une fréquence comprise entre 10 Hz et 100 Hz, tandis que la vitesse du rotor est comprise entre 40 000 et 50 000 tr/min. De plus, la fréquence de résonance n'est pas un paramètre fixe, mais flottant, elle dépend du mode de fonctionnement actuel de la centrifugeuse (composition, densité de température du gaz en premier lieu) et du jeu dans la structure de suspension du rotor.
La tâche principale du développeur de l'équipement est d'empêcher la centrifugeuse de fonctionner dans des modes de vibration accrue (résonances); pour cela, des systèmes automatiques de blocage d'urgence pour le niveau de vibration (jauges de contrainte), un fonctionnement à des vitesses de rotor provoquant une résonance de la structure mécanique (tachymètres), augmentation des charges de courant du moteur (protection de courant).
Les systèmes d'urgence ne sont jamais combinés avec des équipements chargés du fonctionnement normal de l'installation, ce sont des systèmes électromécaniques séparés, généralement très simples, pour l'arrêt du travail (simplement des interrupteurs d'urgence). Vous ne pouvez donc pas les désactiver et les reconfigurer par programmation.
Des collègues des États-Unis et d'Israël ont dû résoudre une tâche totalement non triviale, - détruire la centrifugeuse sans déclencher les automatismes de sécurité.
Et maintenant à propos de l'inconnu comment cela a été fait
Avec la main légère des traducteurs du centre scientifique "NAUTSILUS", qui ont traduit les recherches des spécialistes de Symantik en russe, de nombreux spécialistes qui n'ont pas lu le rapport Symantik dans l'original ont estimé que l'accident était causé par la tension de fonctionnement. fréquence réduite à 2 Hz au moteur électrique de la centrifugeuse.
Ce n'est pas le cas, la traduction correcte est donnée au début du texte de l'article.
Et en principe, il est impossible de réduire la fréquence de la tension d'alimentation d'un moteur à induction à grande vitesse à 2 Hz. Même une fourniture à court terme d'une tension aussi basse fréquence aux enroulements provoquera un court-circuit dans les enroulements et déclenchera une protection contre le courant.
Tout a été fait beaucoup plus intelligemment.
La méthode d'excitation de résonance dans les systèmes électromécaniques décrite ci-dessous pourrait prétendre être nouvelle, et je suis considéré comme son auteur, mais elle est très probablement déjà utilisée par les auteurs du virus Stuxnet, donc, hélas, il ne reste plus qu'à plagier…
Et pourtant, j'explique sur mes doigts, tout en menant un programme pédagogique sur les bases de la physique. Imaginez une charge massive, disons une tonne, suspendue à un câble, disons 10 mètres de long. Nous avons obtenu le pendule le plus simple avec sa propre fréquence de résonance.
Supposons en outre que vous vouliez le balancer avec votre petit doigt, en appliquant un effort de 1 kg. Une seule tentative ne produira aucun résultat visible.
Cela signifie qu'il faut le pousser à plusieurs reprises, en lui appliquant un effort de 1 kg, disons 1000 fois, alors on peut supposer qu'un tel effort multiple sera équivalent au total à une seule application d'un effort par tonne, c'est assez assez pour balancer un tel pendule.
Et donc, on change de tactique, et on commence à pousser à plusieurs reprises la charge suspendue avec notre petit doigt, en appliquant à chaque fois un effort de 1 kg. Nous ne réussirons plus, car nous ne connaissons pas la physique…
Et s'ils savaient, alors ils calculeraient d'abord la période d'oscillation du pendule (le poids est absolument sans importance, la suspension est de 10 mètres, la force de gravité est de 1g) et ont commencé à pousser la charge avec cette période avec le petit doigt. La formule est bien connue:
En 10-20 minutes, ce pendule pesant une tonne oscillerait pour que "maman ne pleure pas".
De plus, il n'est pas nécessaire d'appuyer avec le petit doigt sur toutes les qualités du pendule; cela peut se faire une ou deux fois, et même après cent oscillations du pendule. C'est juste que le temps d'accumulation augmentera proportionnellement, mais l'effet d'accumulation sera complètement préservé.
Et pourtant, je vais surprendre les gens qui connaissent la physique et les mathématiques dans le volume du secondaire (le niveau de connaissance d'un programmeur moderne typique), la période d'oscillation d'un tel pendule ne dépend pas de l'amplitude d'oscillation, balancez-la d'un millimètre ou à un mètre du point de repos, la période d'oscillation et, par conséquent, la fréquence d'oscillation du pendule seront constantes.
Toute structure spatiale n'a même pas une, mais plusieurs fréquences de résonance; en fait, il y a plusieurs pendules de ce type. Les centrifugeuses à gaz, en raison de leurs caractéristiques techniques, ont une fréquence de résonance dite principale de facteur de qualité élevé (elles accumulent efficacement l'énergie de vibration).
Il ne reste plus qu'à balancer la centrifugeuse à gaz avec un doigt à la fréquence de résonance. C'est une blague, bien sûr, s'il existe un moteur électrique avec un système de contrôle automatique, la même chose peut être faite de manière beaucoup plus imperceptible.
Pour ce faire, il faut augmenter/diminuer la vitesse du moteur électrique par à-coups (comme le virus l'a fait, à 2 Hz) et émettre ces à-coups avec la fréquence de résonance de la structure mécanique de la centrifugeuse.
En d'autres termes, il est nécessaire d'alimenter le moteur en fréquence de résonance mécanique à l'aide d'un convertisseur fréquence-tension à fréquence variable. Le moment de force qui se produit dans le moteur lorsque la fréquence de la tension d'alimentation change sera transmis au boîtier avec la fréquence de résonance mécanique et progressivement les oscillations résonantes atteindront un niveau auquel l'installation commencera à s'effondrer
Les fluctuations de fréquence proches d'une certaine valeur moyenne sont appelées "battements", il s'agit d'un effet standard de tout convertisseur de fréquence, la fréquence, comme on dit, "marche" dans certaines limites, généralement pas plus de dixièmes de pour cent de la valeur nominale. Les saboteurs ont déguisé en ces battements naturels de fréquence, leur propre modulation artificiellement introduite de la fréquence du moteur électrique et l'ont synchronisée avec la fréquence de résonance mécanique de la structure spatiale de la centrifugeuse.
Je n'entrerai plus dans le sujet, sinon je serai accusé d'écrire des instructions étape par étape pour les saboteurs. Par conséquent, en dehors de la discussion, je laisserai la question de trouver la fréquence de résonance pour une centrifugeuse particulière (elle est individuelle pour chaque centrifugeuse). Pour la même raison, je ne décrirai pas la méthode de réglage "fin", lorsqu'il faut équilibrer sur le point de déclencher la protection d'urgence contre les vibrations.
Ces tâches sont résolues grâce aux capteurs de courant de tension de sortie disponibles dans le logiciel installés dans les convertisseurs de fréquence. Croyez-moi sur parole - c'est tout à fait réalisable, ce ne sont que les algorithmes.
Encore une fois à propos de l'accident survenu à la CHE de Sayano-Shushenskaya
Dans l'article précédent, il avait été émis l'hypothèse que l'accident de la centrale hydroélectrique avait été provoqué de la même manière (par la méthode de résonance) que dans une usine d'enrichissement d'uranium en Iran, à l'aide d'un logiciel spécial.
Cela ne signifie pas, bien sûr, que le même virus Stuxnet opérait ici et là, bien sûr que non. Le même principe physique de destruction d'objet a fonctionné - une résonance artificiellement induite d'une structure mécanique.
La présence de résonance est indiquée par la présence d'écrous dévissés pour la fixation du couvercle de turbine et les lectures du seul capteur de vibration axiale qui fonctionnait au moment de l'accident.
Compte tenu de la coïncidence de l'heure et des causes de l'accident de la centrale hydroélectrique avec le fait de sabotage à l'usine iranienne d'enrichissement d'uranium, le système de contrôle continu des vibrations s'est arrêté au moment de l'accident, le fonctionnement de l'unité sous le contrôle du système de contrôle automatique de l'unité de turbine, on peut supposer que la résonance n'était pas un phénomène accidentel, mais provoqué par l'homme.
Si cette hypothèse est correcte, alors, contrairement à la situation avec les centrifugeuses à gaz, la tâche de détruire l'unité de turbine nécessitait une intervention manuelle. Les équipements disponibles à la centrale ne permettaient pas au logiciel de sabotage de détecter automatiquement la fréquence de résonance individuelle et de maintenir ensuite les vibrations dans le mode d'urgence sans déclencher les capteurs d'urgence.
A la centrale hydroélectrique, le travail du logiciel de sabotage a nécessité l'utilisation du "facteur humain". Quelqu'un a dû éteindre le serveur de contrôle des vibrations et, avant cela, transférer aux développeurs du logiciel de sabotage les paramètres des résonances d'une unité de turbine particulière, qui en avaient été retirés six mois avant l'accident lors d'une réparation programmée.
Le reste était une question de technique.
Inutile de penser que la résonance s'est produite dans le corps même du rotor de la turbine, bien sûr que non. La résonance de la couche d'eau, saturée de cavités de cavitation élastiques, située entre le rotor de la turbine et les aubes directrices, a été provoquée.
De manière simplifiée, on peut imaginer une telle analogie, en bas il y a un ressort fait de cavités de cavitation entre le rotor de turbine et les aubes des aubes directrices, et ce ressort est soutenu par une colonne d'eau d'une centaine de mètres de haut. Il s'avère un circuit oscillatoire idéal. Faire basculer un tel système de pendule est une tâche très réelle.
C'est à cause de cette résonance TOUS les aubes des aubes directrices ont été brisées, et non pas mécaniquement, par des chocs, mais brisées par une charge dynamique. Voici une photo de ces lames cassées, il n'y a aucune trace de choc mécanique sur leurs surfaces:
Les aubes cassées des aubes directrices obstruaient le trou de vidange de la turbine, et c'est à partir de cette circonstance imprévue que l'accident a commencé à évoluer en catastrophe.
Le rotor de la turbine ressemblait à une hélice de superpétrolier et a commencé à tourner dans un "bidon d'eau fermé" d'une masse de mille cinq cents tonnes et d'une vitesse de rotation de 150 tr/min. Dans la zone de travail de la turbine, une telle surpression d'eau a été créée que le couvercle a été arraché et la turbine elle-même, selon des témoins oculaires, ainsi que le rotor du générateur (un colosse de 1 500 tonnes) ont volé jusqu'à le plafond de la salle des turbines.
Ce qui était en outre connu de tout le monde.
