Preliminary design and configurational analysis of electrically-powered airships

The thesis is focused on the development of a preliminary design methodology for solar-powered airship, to the aim of increasing the accuracy of state-of-the-art procedures already developed for high-altitude airship (HAAs), especially in the critical ascent and descent phases. The outcome of such development bears the additional result of allowing to treat virtually any flight mission with the same design procedure, without being limited to the selection of a stationing altitude in the top layers of the atmosphere. In this work, by means of practical studies in virtual environment, the ability of solar lighter-than-air (LTA) vehicles to cover tasks typically flown by multi-copter or fixed wing drones will be evaluated, such as reconnaissance, surveillance, and remote sensing missions. At the current level of technology, electrically-powered multi-copter drones have a generally limited range and endurance performance. Therefore, a solar-powered LTA may withstand an advantage in those applications that require long time spent in the air. At first, therefore, the possible altitude at which these drones operate has been investigated, with particular attention to military missions, then the existing methodology, previously developed at the Department of Aerospace Engineering of Politecnico di Milano (DAER), has been modified. This procedure had not included the ascent and descent phases, so the aim of this work is to develop a complete optimal design procedure able to obtain an airship in terms of its geometric characteristics, which can carry out more generic missions. By employing the design procedure, now capable of managing a mission ranging in altitude from ground to the upper atmosphere, in this thesis work the effects on the airship sizing, resulting from the adoption of different mission specifications, have been analyzed. In particular, the effect of the intended geographical position on sizing has been investigated. Previous work had shown that environment conditions, changing wildly with over-earth location such as wind and solar radiation, were of the greatest relevance for parameters like weight and overall geometrical size. For this purpose, once the design for a specific geographical place has been defined, a sensitivity analysis of the performance to the variation of the place has been performed and then its airworthiness and limitations assessed.

La presente tesi tratta lo sviluppo di una metodologia di progettazione preliminare di dirigibili a propulsione elettrica e pannelli solari, con l'obiettivo di aumentare l'accuratezza delle metodologie già implementate per i dirigibili ad alta quota (HAA), in particolare nelle fasi critiche di salita e discesa. Tale sviluppo ha il risultato aggiuntivo di consentire di trattare praticamente qualsiasi missione di volo con la stessa procedura di progettazione, senza limitarsi alla selezione di un'altitudine di stazionamento negli strati superiori dell'atmosfera. In questo lavoro di tesi, attraverso studi pratici in ambiente virtuale, verrà valutata la capacità dei velivoli aerostatici (LTA) di portare a termine missioni tipicamente fatte da droni multimotore o ad ala fissa, come missioni di ricognizione, sorveglianza e telerilevamento. All'attuale livello della tecnologia, i droni alimentati elettricamente hanno una durata generalmente limitata. Pertanto, un LTA ad energia solare può avere un vantaggio in quelle applicazioni che richiedono un tempo di volo più lungo. In un primo momento, quindi, sono state investigate le possibili altitudini a cui operano questi droni, con particolare attenzione alle missioni militari, poi la metodologia esistente, precedentemente sviluppata presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Milano (DAER), è stata modificata. Questa procedura non includeva le fasi di salita e discesa; quindi, lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare una procedura di progettazione ottimale completa, in grado di ottenere un dirigibile in termini di caratteristiche geometriche, che possa svolgere missioni più generiche. Impiegando la metodologia, ora in grado di gestire una missione che va in quota a partire da terra, è stato inoltre analizzato l'effetto sul dimensionamento del dirigibile al variare dall'adozione di diverse specifiche di missione, come l'effetto della posizione geografica prevista sul dimensionamento. Il lavoro precedente aveva dimostrato che le condizioni ambientali che cambiano molto con la posizione terrestre, come il vento e la radiazione solare, sono di maggiore rilevanza per parametri come il peso e le dimensioni complessive. A tal fine, una volta definito il progetto per un luogo geografico specifico, è stata eseguita un'analisi di sensibilità delle prestazioni alla variazione del luogo e quindi valutate l'aeronavigabilità e le limitazioni.