Đây là bài báo thứ hai về chủ đề sử dụng cộng hưởng để phá hủy các vật thể vật chất.
Bài báo đầu tiên "Dấu chân của vi-rút Stuxnet ở Nga" mang tính chất giới thiệu và dành cho đông đảo khán giả.
Đã đến lúc làm quen với phương pháp này một cách chi tiết, và trước tiên, hãy xem video với một ví dụ trực quan về sự cộng hưởng, sau đó tôi nghĩ chủ đề của bài viết sẽ trở nên rõ ràng hơn, vì xem một lần còn tốt hơn đọc cả trăm lần…
Đây là một video:
Đây là một cái khác:
Vì vậy, hãy đối xử với sự cộng hưởng một cách tôn trọng.
Quá nổi tiếng, không ai không biết đến Stuxnet
Virus Stuxnet nổi tiếng thế giới giờ đây đã trở thành một câu chuyện kinh dị, ai cũng biết về nó, nhưng không ai hiểu hết bằng cách nào mà hắn đã bí mật phá hủy các máy ly tâm để làm giàu uranium trong suốt hai năm. Đây thậm chí không phải là sự phá hoại, mà là một phương pháp phá hoại - phá hoại tinh vi hơn.
Chỉ cần nghĩ trong suốt hai năm, hàng trăm máy ly tâm liên tục bị hỏng, mọi lịch trình sản xuất bị gián đoạn, các chuyên gia được gọi là "tai của họ" và không thể làm bất cứ điều gì cho đến khi một thông báo từ Belarus về việc phát hiện một loại virus, tải chiến đấu trong đó là các mô-đun cập nhật của phần mềm nội bộ cho tự động hóa công nghiệp của Siemens.
Sau đó, virus này được đặt tên là Stuxnet. Chúng tôi đã tìm ra phương pháp lây nhiễm được sử dụng, với các phương pháp xâm nhập của nó vào cấp hạt nhân và phương pháp bẻ khóa mật khẩu bảo vệ của bộ điều khiển Simatic S7 trong mạng cục bộ. Chúng tôi đã hiểu điều gì đó từ chương trình cơ sở cập nhật vi-rút của bộ điều khiển nhóm máy ly tâm.
Nhưng vẫn chưa ai giải thích được phương pháp vật lý của việc vô hiệu hóa thiết bị trong hành động phá hoại này. Vì vậy, bản thân chúng tôi sẽ cố gắng tìm ra câu đố quan trọng nhất này.
Chúng ta biết những gì
Đây là bộ điều khiển Simatic S7 này được lắp ráp với các mô-đun ngoại vi:
Bản thân bộ vi xử lý là một hộp có phím màu xanh lam, mọi thứ khác là thiết bị ngoại vi. Phần mềm vi điều khiển (sử dụng ngôn ngữ thông dịch STEP 7 đặc biệt) nằm trong bộ nhớ flash bên trong. Việc cập nhật phần mềm và chương trình cơ sở của bộ điều khiển tự diễn ra qua mạng hoặc vật lý, thông qua ổ đĩa flash di động. Những bộ điều khiển như vậy là thiết bị điều khiển nhóm cho 31 máy ly tâm khí cùng một lúc.
Nhưng họ đã trực tiếp phá vỡ các máy ly tâm thông qua các thiết bị khác, - một bộ biến tần để vận hành động cơ điện, gần như như sau:
Đây là cách bộ biến đổi tần số (bộ chuyển đổi) cho động cơ điện không đồng bộ có nhiều công suất khác nhau trông như thế nào. Cái tên đã nói lên mục đích chức năng của thiết bị này, nó chuyển đổi điện áp của mạng tiêu chuẩn (ba pha 360V) thành điện áp ba pha có tần số khác và định mức khác. Việc chuyển đổi điện áp được điều khiển bởi các tín hiệu từ mạng, hoặc được thiết lập thủ công từ bảng điều khiển.
Một bộ điều khiển Simatic S7 ngay lập tức điều khiển một nhóm (31 thiết bị) bộ biến tần, tương ứng, nó là một bộ điều khiển nhóm cho 31 máy ly tâm.
Khi các chuyên gia phát hiện ra, Ngữ nghĩa của phần mềm điều khiển điều khiển nhóm đã bị vi-rút Stuxnet sửa đổi rất nhiều và họ coi việc ban hành các lệnh điều khiển nhóm tới bộ chuyển đổi tần số bằng phần mềm đã sửa đổi của bộ điều khiển Simatic S7 là nguyên nhân trực tiếp gây ra sự cố máy ly tâm..
Phần mềm của thiết bị điều khiển bị vi-rút sửa đổi đã thay đổi tần số hoạt động của mỗi bộ biến tần trong 15 phút một lần trong khoảng thời gian năm giờ, và theo đó, tốc độ quay của động cơ điện máy ly tâm được kết nối với nó.
Đây là cách nó được mô tả trong một nghiên cứu của Semantic:
Do đó, tốc độ của động cơ được thay đổi từ 1410Hz đến 2Hz đến 1064Hz và sau đó lặp lại. Nhớ lại tần số hoạt động bình thường tại thời điểm này được cho là từ 807 Hz đến 1210 Hz.
Vì vậy, tốc độ động cơ thay đổi từ 1410Hz trong các bước 2Hz đến 1064Hz và sau đó đảo ngược trở lại. Xin nhắc lại, tần số hoạt động bình thường tại thời điểm này được duy trì trong khoảng 807 Hz đến 1210 Hz.
Và Ngữ nghĩa kết luận trên cơ sở của điều này:
Do đó, Stuxnet phá hoại hệ thống bằng cách làm chậm hoặc tăng tốc động cơ đến các tốc độ khác nhau tại các thời điểm khác nhau
(Do đó, Stuxnet phá hoại hệ thống bằng cách làm chậm hoặc tăng tốc động cơ đến các tốc độ khác nhau tại các thời điểm khác nhau.)
Đối với các lập trình viên hiện đại chỉ biết vật lý và kỹ thuật điện trong khối lượng của trường trung học, điều này có lẽ là đủ, nhưng đối với các chuyên gia có năng lực hơn, giải thích như vậy là không nhất quán. Bản thân sự thay đổi tốc độ quay của rôto máy ly tâm trong phạm vi cho phép và tần số hoạt động vượt quá 200 Hz (khoảng 15%) so với giá trị danh nghĩa trong thời gian ngắn không thể dẫn đến sự cố thiết bị lớn.
Một số chi tiết kỹ thuật
Đây là cách một dòng máy ly tâm khí để sản xuất uranium làm giàu trông giống như sau:
Có hàng chục thác như vậy tại các nhà máy làm giàu uranium, tổng số máy ly tâm vượt quá 20-30 nghìn …
Bản thân máy ly tâm là một thiết bị khá đơn giản trong thiết kế, đây là bản vẽ sơ đồ của nó:
Nhưng sự đơn giản mang tính xây dựng này đang đánh lừa, thực tế là cánh quạt của một chiếc máy ly tâm dài khoảng 2m quay với tốc độ khoảng 50.000 vòng / phút. Cân bằng một cánh quạt có cấu hình không gian phức tạp, chiều dài gần hai mét, là một nhiệm vụ rất khó khăn.
Ngoài ra, cần có các phương pháp đặc biệt của hệ thống treo rôto trong các ổ trục; đối với điều này, các ổ trục kim mềm đặc biệt được sử dụng, hoàn chỉnh với một hệ thống treo từ tính tự căn chỉnh phức tạp.
Đối với độ tin cậy của máy ly tâm khí, vấn đề chính là sự cộng hưởng của cơ cấu cơ khí, liên quan đến tốc độ quay nhất định của rôto. Máy ly tâm khí thậm chí còn được phân loại dựa trên cơ sở này. Máy ly tâm hoạt động ở tốc độ rôto trên tốc độ cộng hưởng được gọi là siêu tới hạn, dưới tới hạn - dưới tới hạn.
Đừng nghĩ rằng tốc độ rôto là tần số của cộng hưởng cơ học. Không có gì thuộc loại này, cộng hưởng cơ học có liên quan đến tốc độ quay của rôto máy ly tâm thông qua các mối quan hệ rất phức tạp. Tần số cộng hưởng và tốc độ rôto có thể khác nhau theo thứ tự độ lớn.
Ví dụ, vùng cộng hưởng điển hình của máy ly tâm là tần số trong khoảng 10Hz-100Hz, trong khi tốc độ rôto là 40-50 nghìn vòng / phút. Ngoài ra, tần số cộng hưởng không phải là một thông số cố định, mà là một thông số nổi, nó phụ thuộc vào chế độ hoạt động hiện tại của máy ly tâm (thành phần, mật độ nhiệt độ khí ở vị trí đầu tiên) và phản ứng dữ dội trong cấu trúc hệ thống treo rôto.
Nhiệm vụ chính của nhà phát triển thiết bị là ngăn máy ly tâm hoạt động ở các chế độ tăng độ rung (cộng hưởng); đối với điều này, hệ thống chặn khẩn cấp tự động đối với mức độ rung (đồng hồ đo biến dạng), hoạt động ở tốc độ rôto gây ra cộng hưởng của cấu trúc cơ học (máy đo tốc độ), tăng tải hiện tại của động cơ (bảo vệ hiện tại).
Hệ thống khẩn cấp không bao giờ được kết hợp với thiết bị chịu trách nhiệm cho hoạt động bình thường của việc lắp đặt, chúng riêng biệt, thường là các hệ thống cơ điện rất đơn giản để dừng công việc (chỉ đơn giản là công tắc khẩn cấp). Vì vậy, bạn không thể lập trình vô hiệu hóa và cấu hình lại chúng.
Các đồng nghiệp từ Mỹ và Israel đã phải giải quyết một nhiệm vụ hoàn toàn không hề nhỏ, - phá hủy máy ly tâm mà không cần kích hoạt tự động an toàn.
Và bây giờ về việc không biết nó đã được thực hiện như thế nào
Với bàn tay nhẹ nhàng của các dịch giả của trung tâm khoa học "NAUTSILUS", người đã dịch nghiên cứu của các chuyên gia Symantik sang tiếng Nga, nhiều chuyên gia không đọc bản báo cáo Symantik trong bản gốc đã có ý kiến cho rằng tai nạn là do điện áp vận hành. giảm tần số xuống 2Hz đối với động cơ điện ly tâm.
Đây không phải là trường hợp, bản dịch chính xác được đưa ra ở đầu văn bản của bài báo.
Và về nguyên tắc, không thể giảm tần số của điện áp cung cấp của động cơ cảm ứng tốc độ cao xuống 2Hz. Ngay cả việc cung cấp ngắn hạn điện áp tần số thấp như vậy cho các cuộn dây cũng sẽ gây ra ngắn mạch trong các cuộn dây và kích hoạt bảo vệ dòng điện.
Mọi thứ đã được thực hiện thông minh hơn nhiều.
Phương pháp kích thích cộng hưởng trong các hệ thống cơ điện được mô tả dưới đây có thể được cho là mới và tôi được coi là tác giả của nó, nhưng rất có thể nó đã được các tác giả của vi rút Stuxnet sử dụng, vì vậy, than ôi, nó vẫn chỉ để ăn cắp ý tưởng…
Và tuy nhiên, tôi giải thích trên ngón tay của mình, đồng thời thực hiện một chương trình giáo dục về những điều cơ bản của vật lý. Hãy tưởng tượng một tải trọng lớn, chẳng hạn như một tấn, được treo trên một sợi cáp, giả sử dài 10 mét. Chúng tôi đã thu được một con lắc đơn giản nhất với tần số cộng hưởng riêng của nó.
Giả sử bạn muốn vung nó bằng ngón tay út, với nỗ lực là 1 kg. Một nỗ lực duy nhất sẽ không tạo ra kết quả rõ ràng.
Điều này có nghĩa là bạn cần phải đẩy nó nhiều lần, áp dụng một nỗ lực là 1 kg, chẳng hạn như 1000 lần, sau đó chúng ta có thể giả định rằng tổng số nỗ lực như vậy sẽ tương đương với một ứng dụng nỗ lực trên mỗi tấn, điều này khá đủ để dao động một con lắc như vậy.
Và do đó, chúng tôi thay đổi chiến thuật, và chúng tôi bắt đầu liên tục đẩy tải trọng lơ lửng bằng ngón tay út của mình, mỗi lần với nỗ lực là 1 kg. Chúng ta sẽ không thành công nữa, bởi vì chúng ta không biết vật lý …
Và nếu các em biết thì trước hết các em tính chu kì dao động của con lắc (quả nặng hoàn toàn không quan trọng, vật treo là 10m, trọng lực là 1g) và bắt đầu đẩy tải với chu kì này bằng ngón tay út.. Công thức nổi tiếng:
Trong 10-20 phút nữa, con lắc nặng cả tấn này sẽ lắc lư để "mẹ đừng khóc".
Hơn nữa, không cần thiết phải ấn bằng ngón tay út vào mọi chất lượng của con lắc; điều này có thể được thực hiện một hoặc hai lần, và thậm chí sau một trăm lần dao động của con lắc. Chỉ là thời gian tích tụ sẽ tăng lên tương ứng, nhưng hiệu ứng tích tụ sẽ được giữ nguyên hoàn toàn.
Chưa hết, tôi sẽ ngạc nhiên với những người am hiểu vật lý, toán học trong khối THCS (trình độ kiến thức của một lập trình viên hiện đại điển hình), chu kỳ dao động của một con lắc như vậy không phụ thuộc vào biên độ dao động, dao động nó bằng milimét. hoặc cách điểm nghỉ một mét thì chu kì dao động và theo đó tần số dao động của con lắc sẽ không đổi.
Bất kỳ cấu trúc không gian nào thậm chí không có một, mà có một số tần số cộng hưởng; trên thực tế, có một số mặt dây chuyền như vậy trong đó. Máy ly tâm khí, do các tính năng kỹ thuật của chúng, có một tần số cộng hưởng chính được gọi là yếu tố chất lượng cao (chúng tích lũy năng lượng rung động một cách hiệu quả).
Nó vẫn chỉ để xoay máy ly tâm khí bằng một ngón tay ở tần số cộng hưởng. Tất nhiên, đó là một trò đùa, nếu có một động cơ điện với hệ thống điều khiển tự động, thì điều tương tự có thể được thực hiện một cách khó hiểu hơn nhiều.
Để làm được điều này, bạn cần tăng / giảm tốc độ của động cơ điện ở mức độ giật (như virus đã làm, ở tần số 2 Hz) và tạo ra những cú giật này với tần số cộng hưởng của cấu trúc cơ học của máy ly tâm.
Nói cách khác, cần cung cấp cho động cơ tần số cộng hưởng cơ bằng bộ biến đổi điện áp tần số có tần số thay đổi được. Mômen lực xuất hiện trong động cơ khi tần số của điện áp cung cấp thay đổi sẽ được truyền đến vỏ với tần số cộng hưởng cơ học và dần dần các dao động cộng hưởng sẽ đạt đến mức mà tại đó lắp đặt sẽ bắt đầu sụp đổ
Tần số dao động gần một giá trị trung bình nhất định được gọi là "nhịp", đây là một hiệu ứng tiêu chuẩn của bất kỳ bộ chuyển đổi tần số nào, tần số, như người ta nói, "đi bộ" trong giới hạn nhất định, thường không quá một phần mười phần trăm danh nghĩa. Những kẻ phá hoại ngụy trang thành những nhịp đập tự nhiên của tần số này, của chính họ, được đưa vào nhân tạo, điều chế tần số của động cơ điện và đồng bộ hóa nó với tần số cộng hưởng cơ học của cấu trúc không gian của máy ly tâm.
Tôi sẽ không đi sâu vào chủ đề nữa, nếu không, tôi sẽ bị buộc tội viết hướng dẫn từng bước cho những kẻ phá hoại. Vì vậy, bên ngoài cuộc thảo luận, tôi sẽ để lại câu hỏi về việc tìm tần số cộng hưởng cho một máy ly tâm cụ thể (nó là riêng lẻ cho từng máy ly tâm). Vì lý do tương tự, tôi sẽ không mô tả phương pháp điều chỉnh "tinh", khi cần thiết phải cân bằng trên bờ vực kích hoạt bảo vệ khẩn cấp chống lại rung động.
Những nhiệm vụ này được giải quyết thông qua phần mềm cảm biến dòng điện áp đầu ra có sẵn được cài đặt trong bộ biến tần. Hãy từ của tôi cho nó - điều này khá dễ nhận ra, nó chỉ là các thuật toán.
Một lần nữa về vụ tai nạn tại Sayano-Shushenskaya HPP
Trong bài báo trước, người ta đã đưa ra giả thuyết rằng vụ tai nạn tại nhà máy thủy điện được gây ra theo cùng một cách (theo phương pháp cộng hưởng) như tại một nhà máy làm giàu uranium ở Iran, sử dụng phần mềm đặc biệt.
Tất nhiên, điều này không có nghĩa là cùng một loại virus Stuxnet đang hoạt động ở đây và ở đó, tất nhiên là không. Nguyên tắc vật lý tương tự của việc phá hủy vật thể đã hoạt động - một sự cộng hưởng nhân tạo của một cấu trúc cơ học.
Sự hiện diện của cộng hưởng được biểu thị bằng sự hiện diện của các đai ốc chưa vặn để buộc chặt nắp tuabin và các chỉ số của cảm biến rung dọc trục duy nhất đang hoạt động tại thời điểm xảy ra tai nạn.
Có tính đến sự trùng hợp về thời gian và nguyên nhân của vụ tai nạn HPP với thực tế phá hoại tại nhà máy làm giàu uranium của Iran, hệ thống kiểm soát rung động liên tục bị tắt vào thời điểm xảy ra tai nạn, hoạt động của thiết bị dưới sự kiểm soát của hệ thống điều khiển tự động của tổ máy tuabin, có thể cho rằng sự cộng hưởng không phải là một hiện tượng ngẫu nhiên, mà là do con người tạo ra.
Nếu giả thiết này là đúng, thì, không giống như tình huống xảy ra với máy ly tâm khí, nhiệm vụ phá hủy tổ máy tuabin cần phải có sự can thiệp của thủ công. Thiết bị có sẵn tại HPP không cho phép phần mềm phá hoại tự động phát hiện tần số cộng hưởng riêng lẻ và sau đó giữ các rung động ở chế độ khẩn cấp mà không kích hoạt các cảm biến khẩn cấp.
Ở nhà máy thủy điện, công việc phá hoại phần mềm đòi hỏi phải sử dụng “nhân tố con người”. Bằng cách nào đó, ai đó đã phải tắt máy chủ kiểm soát độ rung và trước đó chuyển cho các nhà phát triển phần mềm phá hoại các thông số về cộng hưởng của một tổ máy tuabin cụ thể, đã bị xóa khỏi nó sáu tháng trước khi xảy ra tai nạn trong quá trình sửa chữa theo lịch trình.
Phần còn lại là vấn đề kỹ thuật.
Tất nhiên là không cần phải nghĩ rằng sự cộng hưởng đã xảy ra trong chính phần thân của rôto tuabin. Sự cộng hưởng của lớp nước, bão hòa với các khoang tạo bọt đàn hồi, nằm giữa rôto tuabin và các cánh dẫn hướng, đã gây ra.
Nói một cách đơn giản, người ta có thể hình dung một sự tương tự như vậy, ở phía dưới có một lò xo làm bằng các khoang tạo lỗ giữa rôto tuabin và các cánh của cánh dẫn hướng, và lò xo này được nâng đỡ bởi một cột nước cao một trăm mét. Nó biến thành một mạch dao động lí tưởng. Để lắc một hệ thống con lắc như vậy là một nhiệm vụ rất thực tế.
Đó là vì sự cộng hưởng này TẤT CẢ CÁC Các cánh của các cánh dẫn hướng đã bị gãy, không phải do tác động cơ học mà bị gãy do tải trọng động. Dưới đây là ảnh chụp những lưỡi dao bị gãy này, không có dấu vết của chấn động cơ học trên bề mặt của chúng:
Các cánh dẫn hướng bị gãy đã chặn lỗ thoát nước của tuabin, và chính từ tình huống bất trắc này, tai nạn bắt đầu phát triển thành thảm họa.
Cánh quạt tuabin giống như một cánh quạt siêu tàu, và bắt đầu quay trong một "lon nước kín" có khối lượng một nghìn tấn rưỡi và tốc độ quay 150 vòng / phút. Trong khu vực làm việc của tuabin, áp suất nước quá lớn đã được tạo ra khiến nắp bị rách, và bản thân tuabin, theo những người chứng kiến, cùng với rôto của máy phát điện (khổng lồ 1.500 tấn) đã bay lên đến trần của sảnh tuabin.
Những gì đã được biết thêm cho tất cả mọi người.
