Este é o segundo artigo sobre o uso de ressonâncias para destruir objetos físicos.
O primeiro artigo, "A pegada russa do vírus Stuxnet", era introdutório e dirigia-se a um amplo público leigo.
É hora de se familiarizar com esse método em detalhes e, primeiro, assistir ao vídeo com um exemplo visual de ressonância, depois acho que o tema do artigo ficará mais claro, pois é melhor ver uma vez do que ler cem vezes…
Aqui está um vídeo:
Aqui está outro:
Portanto, trate a ressonância com respeito.
Tão famoso, desconhecido para o Stuxnet
O mundialmente famoso vírus Stuxnet agora se transformou em uma espécie de história de terror, todos sabem disso, mas ninguém entende completamente como ele conseguiu destruir secretamente centrífugas para enriquecimento de urânio por dois anos. Isso não é nem mesmo sabotagem, mas um método mais sofisticado de sabotagem - sabotagem.
Basta pensar que, ao longo de dois anos, centenas de centrífugas estão constantemente quebrando, todos os cronogramas de produção são interrompidos, especialistas são chamados "de orelha a orelha" e não podem fazer nada até que chegue uma mensagem da Bielo-Rússia sobre a detecção de um vírus, o combate de carga do qual foram os módulos de atualização do software interno para automação industrial da Siemens.
Posteriormente, esse vírus foi denominado Stuxnet. Nós descobrimos o método de infecção usado, com os métodos de sua penetração no nível do kernel, e o método de quebrar a proteção por senha dos controladores Simatic S7 na rede local. Nós entendemos algo do que o firmware atualizado do vírus do controlador do grupo de centrífuga faz.
Mas ninguém ainda explicou o método físico de desabilitar equipamentos neste ato de sabotagem. Portanto, nós mesmos tentaremos descobrir este enigma mais importante.
O que nós sabemos
Aqui está este controlador Simatic S7 montado com módulos periféricos:
A própria unidade do microprocessador é uma caixa com uma chave azul, todo o resto são periféricos. O software do microcontrolador (uma linguagem de intérprete especial do STEP 7 é usada) está localizado na memória flash interna. A atualização do software e do firmware do próprio controlador ocorre por meio da rede, ou fisicamente, por meio de uma unidade flash removível. Esses controladores eram dispositivos de controle de grupo para 31 centrífugas de gás ao mesmo tempo.
Mas eles quebraram centrífugas diretamente por meio de outros dispositivos, - um conversor de frequência para operar um motor elétrico, aproximadamente da seguinte forma:
É assim que se parecem os conversores de frequência (conversores) para motores elétricos assíncronos de várias potências. O nome indica a finalidade funcional deste dispositivo, ele converte a tensão de uma rede padrão (três fases 360V) em uma tensão trifásica de uma frequência diferente e uma classificação diferente. A conversão de tensão é controlada por sinais da rede ou configurada manualmente no painel de controle.
Um controlador Simatic S7 controlava imediatamente um grupo (31 dispositivos) de conversores de frequência, respectivamente, era uma unidade de controle de grupo para 31 centrífugas.
Como os especialistas descobriram, a Semântica do software do controlador de controle de grupo foi fortemente modificada pelo vírus Stuxnet, e eles consideraram a emissão de comandos de controle de grupo para conversores de frequência pelo software modificado do controlador Simatic S7 como a causa direta de falhas na centrífuga.
O software do dispositivo de controle modificado pelo vírus alterava a frequência de operação de cada conversor de frequência em 15 minutos uma vez durante um intervalo de cinco horas e, consequentemente, a velocidade de rotação do motor elétrico da centrífuga a ele conectado.
É assim que é descrito em um estudo da Semantic:
Assim, a velocidade do motor é alterada de 1410 Hz para 2 Hz a 1064 Hz e depois novamente. Lembre-se de que a frequência de operação normal neste momento deve estar entre 807 Hz e 1210 Hz.
Portanto, a velocidade do motor muda de 1410 Hz em passos de 2 Hz para 1064 Hz e então reverte. Como um lembrete, a frequência operacional normal neste momento foi mantida entre 807 Hz e 1210 Hz.
E a Semântica conclui com base nisso:
Assim, o Stuxnet sabota o sistema desacelerando ou acelerando o motor para taxas diferentes em momentos diferentes
(Assim, o Stuxnet sabota o sistema diminuindo ou acelerando o motor para velocidades diferentes em momentos diferentes.)
Para programadores modernos que conhecem física e engenharia elétrica apenas no volume do ensino médio, isso provavelmente é o suficiente, mas para especialistas mais competentes essa explicação não é consistente. Uma mudança na velocidade de rotação do rotor da centrífuga dentro da faixa permitida e um excesso de curto prazo da frequência de operação em 200 Hz (cerca de 15%) do valor nominal em si não pode levar a avarias massivas do equipamento.
Alguns detalhes técnicos
É assim que uma cascata de centrífugas de gás para a produção de urânio enriquecido se parece com:
Existem dezenas dessas cascatas em fábricas de enriquecimento de urânio, o número total de centrífugas ultrapassa 20-30 mil …
A centrífuga em si é um dispositivo bastante simples no design, aqui está seu desenho esquemático:
Mas essa simplicidade construtiva engana, o fato é que o rotor dessa centrífuga, com cerca de dois metros de comprimento, gira a uma velocidade de cerca de 50.000 rpm. Equilibrar um rotor com uma configuração espacial complexa, quase dois metros de comprimento, é uma tarefa muito difícil.
Além disso, são necessários métodos especiais de suspensão do rotor em rolamentos; para isso, são usados rolamentos de agulhas flexíveis especiais, completos com uma complexa suspensão magnética autocompensadora.
Para a confiabilidade das centrífugas a gás, o principal problema é a ressonância da estrutura mecânica, que está associada a certas velocidades de rotação do rotor. As centrífugas de gás são até categorizadas nesta base. Uma centrífuga operando a uma velocidade de rotor acima da ressonante é chamada de supercrítica, abaixo de - subcrítica.
Não pense que a velocidade do rotor é a frequência da ressonância mecânica. Nada disso, a ressonância mecânica está relacionada à velocidade de rotação do rotor da centrífuga por meio de relações muito complexas. A frequência de ressonância e a velocidade do rotor podem diferir em uma ordem de magnitude.
Por exemplo, uma área de ressonância típica de uma centrífuga é uma frequência na faixa de 10 Hz a 100 Hz, enquanto a velocidade do rotor é de 40 a 50 mil rpm. Além disso, a frequência de ressonância não é um parâmetro fixo, mas flutuante, depende do modo de operação atual da centrífuga (composição, densidade da temperatura do gás em primeiro lugar) e folga na estrutura de suspensão do rotor.
A principal tarefa do desenvolvedor do equipamento é evitar que a centrífuga opere em modos de vibração aumentada (ressonâncias); para isso, sistemas automáticos de bloqueio de emergência para nível de vibração (extensômetros), operação em velocidades de rotor causando ressonância da estrutura mecânica (tacômetros), aumento das cargas de corrente do motor (proteção de corrente).
Os sistemas de emergência nunca são combinados com os equipamentos responsáveis pelo funcionamento normal da instalação, são sistemas eletromecânicos separados, geralmente muito simples, de parada dos trabalhos (simplesmente interruptores de emergência). Portanto, você não pode desabilitá-los e reconfigurá-los programaticamente.
Colegas dos EUA e de Israel tiveram que resolver uma tarefa completamente não trivial, - destruir a centrífuga sem acionar as automáticas de segurança.
E agora sobre o desconhecido como isso foi feito
Com a mão leve dos tradutores do centro científico "NAUTSILUS", que traduziram para o russo as pesquisas dos especialistas Symantik, muitos especialistas que não leram o relatório Symantik no original tiveram a opinião de que o acidente foi causado pela tensão de operação frequência reduzida para 2 Hz para o motor elétrico da centrífuga.
Não é esse o caso, a tradução correta é dada no início do texto do artigo.
E, em princípio, é impossível reduzir a frequência da tensão de alimentação de um motor de indução de alta velocidade para 2Hz. Mesmo um fornecimento de curto prazo de tal tensão de baixa frequência para os enrolamentos irá causar um curto-circuito nos enrolamentos e acionar a proteção de corrente.
Tudo foi feito de maneira muito mais inteligente.
O método de excitação de ressonância em sistemas eletromecânicos descrito abaixo poderia reivindicar ser novo, e eu sou considerado seu autor, mas provavelmente já é usado pelos autores do vírus Stuxnet, então, infelizmente, resta apenas plagiar..
E, no entanto, eu explico nos meus dedos, ao mesmo tempo conduzindo um programa educacional sobre noções básicas de física. Imagine uma carga enorme, digamos uma tonelada, pendurada em um cabo, digamos de 10 metros de comprimento. Obtivemos o pêndulo mais simples com sua própria frequência de ressonância.
Suponha ainda que você queira balançá-lo com o dedo mínimo, aplicando um esforço de 1 kg. Uma única tentativa não produzirá nenhum resultado visível.
Isso significa que você precisa empurrá-lo repetidamente, aplicando um esforço de 1 kg a ele, digamos 1000 vezes, então podemos supor que tal esforço múltiplo será equivalente no total a uma única aplicação de um esforço por tonelada, isso é bastante o suficiente para balançar tal pêndulo.
E assim, mudamos de tática, e começamos a empurrar repetidamente a carga suspensa com nosso dedo mínimo, cada vez aplicando um esforço de 1 kg. Não teremos sucesso de novo, porque não conhecemos física …
E se soubessem, então primeiro calculariam o período de oscilação do pêndulo (o peso é absolutamente sem importância, a suspensão é de 10 metros, a força da gravidade é de 1g) e começariam a empurrar a carga com este período com o dedo mínimo. A fórmula é bem conhecida:
Em 10-20 minutos, este pêndulo pesando uma tonelada balançaria para que "mamãe não chore".
Além disso, não é necessário pressionar com o dedo mínimo todas as qualidades do pêndulo, o que pode ser feito uma, ou duas vezes, e mesmo após cem oscilações do pêndulo. Só que o tempo de acumulação aumentará proporcionalmente, mas o efeito de acumulação será completamente preservado.
E ainda, vou surpreender quem conhece física e matemática no volume do ensino médio (o nível de conhecimento de um típico programador moderno), o período de oscilação de tal pêndulo não depende da amplitude de oscilação, balance-o um milímetro ou a um metro do ponto de repouso, o período de oscilação e, consequentemente, a frequência de oscilação do pêndulo serão constantes.
Qualquer estrutura espacial não tem nem mesmo uma, mas várias frequências ressonantes; na verdade, há vários pêndulos desse tipo nela. As centrífugas a gás, devido às suas características técnicas, possuem uma chamada frequência ressonante principal de alto fator de qualidade (elas efetivamente acumulam energia vibratória).
Resta apenas girar a centrífuga de gás com um dedo na frequência de ressonância. É uma piada, claro, se houver um motor elétrico com sistema de controle automático, então o mesmo pode ser feito de forma muito mais imperceptível.
Para fazer isso, é preciso aumentar / diminuir a velocidade do motor elétrico em solavancos (como fazia o vírus, a 2 Hz) e emitir esses solavancos com a frequência de ressonância da estrutura mecânica da centrífuga.
Em outras palavras, é necessário alimentar o motor com a frequência de ressonância mecânica por meio de um conversor de tensão de frequência com frequência variável. O momento de força que ocorre no motor quando a frequência das mudanças de tensão de alimentação será transmitido para a carcaça com a frequência de ressonância mecânica e gradativamente as oscilações ressonantes atingirão um nível no qual a instalação começará a entrar em colapso
As flutuações de frequência perto de um determinado valor médio são chamadas de "batidas", este é um efeito padrão de qualquer conversor de frequência, a frequência, como se costuma dizer, "anda" dentro de certos limites, geralmente não mais do que décimos de um por cento do nominal. Os sabotadores disfarçavam-se dessas batidas naturais de frequência, próprias, introduzidas artificialmente, modulação da frequência do motor elétrico e sincronizavam-na com a frequência de ressonância mecânica da estrutura espacial da centrífuga.
Não entrarei mais no assunto, caso contrário, serei acusado de escrever instruções passo a passo para sabotadores. Portanto, fora da discussão, deixarei a questão de encontrar a frequência de ressonância para uma determinada centrífuga (é individual para cada centrífuga). Pelo mesmo motivo, não descreverei o método de ajuste "fino", quando é necessário balancear a ponto de acionar a proteção de emergência contra vibrações.
Essas tarefas são resolvidas por meio dos sensores de corrente de tensão de saída disponíveis no software instalados nos conversores de frequência. Acredite em mim - isso é perfeitamente realizável, são apenas os algoritmos.
Mais uma vez sobre o acidente na UHE Sayano-Shushenskaya
No artigo anterior, foi levantada a hipótese de que o acidente na hidrelétrica foi causado da mesma forma (pelo método de ressonância) que em uma usina de enriquecimento de urânio no Irã, usando um software especial.
Isso não significa, é claro, que o mesmo vírus Stuxnet estava operando aqui e ali, claro que não. O mesmo princípio físico de destruição de objetos funcionou - uma ressonância induzida artificialmente de uma estrutura mecânica.
A presença de ressonância é indicada pela presença de porcas desenroscadas para fixação da tampa da turbina e pelas leituras do único sensor de vibração axial que estava funcionando no momento do acidente.
Levando em consideração a coincidência do horário e das causas do acidente da UHE com o fato de sabotagem na usina de enriquecimento de urânio iraniana, o sistema de controle de vibração contínua foi desligado no momento do acidente, o funcionamento da unidade sob o controle do sistema de controle automático da unidade de turbina, pode-se presumir que a ressonância não foi um fenômeno acidental, mas sim artificial.
Se essa suposição estiver correta, então, ao contrário da situação com centrífugas a gás, a tarefa de destruir a unidade da turbina exigia intervenção manual. Os equipamentos disponíveis na HPP não permitiam que o software de sabotagem detectasse automaticamente a frequência de ressonância individual e, a seguir, mantivesse as vibrações dentro do modo de emergência sem acionar os sensores de emergência.
Na hidrelétrica, o trabalho do software de sabotagem exigia o uso do "fator humano". Alguém de alguma forma teve que desligar o servidor de controle de vibração e, antes disso, transferir para os desenvolvedores do software de sabotagem os parâmetros das ressonâncias de uma determinada unidade de turbina, que foram removidos dele seis meses antes do acidente durante um reparo programado.
O resto era questão de técnica.
Não é preciso pensar que a ressonância ocorreu no próprio corpo do rotor da turbina, claro que não. Foi ocasionada a ressonância da camada de água, saturada com cavidades elásticas de cavitação, localizada entre o rotor da turbina e as palhetas guias.
De forma simplificada, pode-se imaginar tal analogia, no fundo há uma mola feita de cavidades de cavitação entre o rotor da turbina e as pás das palhetas guia, e esta mola é sustentada por uma coluna de água de cem metros de altura. Acontece um circuito oscilatório ideal. Balançar esse sistema de pêndulo é uma tarefa muito real.
É por causa dessa ressonância TUDO as lâminas das palhetas-guia foram quebradas, e não mecanicamente, com os impactos, mas quebradas por uma carga dinâmica. Aqui está uma foto dessas lâminas quebradas, não há vestígios de choque mecânico em suas superfícies:
As lâminas quebradas das palhetas-guia bloquearam o orifício de drenagem da turbina, e foi a partir desse imprevisto que o acidente começou a se transformar em uma catástrofe.
O rotor da turbina parecia uma hélice de superpetroleiro e passou a girar em uma "lata fechada de água" com massa de um mil e meio de toneladas e velocidade de rotação de 150 rpm. Na área de trabalho da turbina, criou-se tamanha sobrepressão de água que a tampa foi arrancada, e a própria turbina, segundo testemunhas oculares, juntamente com o rotor do gerador (um colosso de 1.500 toneladas) voou até o teto da sala da turbina.
O que era mais conhecido por todos.
