Design and control of an airship moved by electrohydrodynamic propulsion

The airship is based on pumping a gas that is lighter than the external air into an ellipsoid-shaped envelope. It can be used in a variety of situations, one of which is support during missions following natural disasters, such as an earthquake. An airship can monitor an area for weeks without having to land, while also helping to restore telecommunications networks. The goals of this thesis are to design and control an airship equipped with electrohydrodynamic thrusters, assuming the scenario of an earthquake. The airship's mission is to restore telecommunications networks and quickly provide images of the situation. In order to complete the mission the airship is positioned 20 km above the ground. Electrohydrodynamic or ion thrusters use the thrust created by accelerating ions in a fluid thanks to the action of electrostatic forces. The application of ion thrusters to an airship allows the development of an innovative family of flight platforms capable of virtually infinite flight time. The design work includes the mathematical model to be used in the control. The control technique used is the decoupling approach that is based on the possibility of tracing the MIMO control system synthesis problem to a set of SISO problems. The decoupled controller proved to be fundamental in the control. The control shows that, with the strength that ion thrusters are currently able to develop, it is not possible to have suitable performance that can carry out a mission that includes restoring the cellular connection. However, in case of a mission requiring the sending of photographic material, even at the current state of progress, it is possible to use ion thrusters to control an airship. Further studies on the subject are possible, such as the sizing of a small airship, maximum 5 metres in length, again using ion thrusters, or the use of different control techniques, such as gain scheduling.

Il funzionamento dei dirigibili si basa sull'inserimento di un gas più leggero dell'aria esterna all'interno di un involucro di forma ellissoidale. Può essere sfruttato in diversi ambiti, uno di questi è il supporto durante le missioni successive a catastrofi naturali, come un terremoto. Un dirigibile può monitorare per settimane una zona senza dover atterrare, aiutando pure nel ripristino delle reti di telecomunicazione. Gli obiettivi della tesi presentata sono la progettazione e il controllo di un dirigibile che sia equipaggiato con propulsori elettroidrodinamici, ipotizzando come scenario quello di un terremoto appena avvenuto, con l'impossibilità di utilizzare la rete cellulare e la necessità di avere foto istantanee della situazione a terra. Il dirigibile viene quindi posizionato a 20 km da terra ed inizia la sua missione. I propulsori elettroidrodinamici o ionici sfruttano la produzione di spinta che si crea accelerando ioni in un fluido grazie all'azione di forze elettrostatiche. Il lavoro di progettazione include tutti gli aspetti che vanno presi in considerazione nella costruzione di un dirigibile, fornendo tutti i dati per comporre il modello matematico da utilizzare nel controllo. La tecnica di controllo utilizzata è il disaccoppiamento, che è stato confrontato a un controllore non disaccoppiato, per mostrarne gli effetti ed il disaccoppiamento è risultato determinante ai fini del controllo. Dal controllo emerge che, con la forza che attualmente riescono a sviluppare i propulsori ionici non è possibile avere delle performance soddisfacenti che possano portare a termine una missione che includa il ripristino della connessione cellulare. Tuttavia, in caso di una missione che richieda l'invio di materiale fotografico, anche allo stato di avanzamento attuale è possibile utilizzare propulsori ionici per controllare un dirigibile. Sono possibili ulteriori studi sull'argomento, come il dimensionamento di un dirigibile di piccole dimensioni, massimo 5 metri di lunghezza, sempre con l'utilizzo di propulsori ionici.