Layout analysis and flight control of airships with distributed thrust

Airships, once pioneering technology nearly a century ago, are expe- riencing renewed research interest due to their remarkable capacity for extended flight with minimal fuel consumption. This thesis focuses into new propulsion and control technologies. Airship control has always been challenging. In order to increase controllability technological solutions such as bow thrusters and thrust vectoring have been explored, which unfortunately greatly increase the weights and complexity of construction. In light of the growing interest in high-altitude airships (HAA) and autonomous flight, one important goal is to simplify designs while maintaining performance. This research explores control of airships using non-tilting thrusters, with a specific focus on different configurations of electro-dynamic (EHD) thrusters employed for control purposes. EHD motor utilize electrostatic forces to generate thrust through ion acceleration. If proven effective, such configurations could reduce reliance on control surfaces, tilting motors, and their associated actuators. The primary objective of this master’s thesis is to analyze how these thrusters can be strategically positioned to optimize disturbance rejection. The study aims to develop an analytical tool for comparing different motor layouts in terms of dynamic control, evaluating the effects of motor placement and quantity. The research methodology involves deriving a dynamic model from existing literature and modifying it to incorporate input from ion motors’ belts. Validation of the linearized model is achieved through an eigenvalue analysis, comparing the results with existing literature. A multivariable LQR control strategy is developed to address disturbances across various configurations. Numerical simulations assess each layout’s ability to restore perturbed states to equilibrium, with a defined benchmark used to evaluate performance. The study concludes by presenting comprehensive results from numerical tests, offering insights into the influence of design parameters on performance and dis- cussing the characteristics of an optimal layout.

I dirigibili, una tecnologia pionieristica quasi un secolo fa, stanno vivendo un rinnovato interesse di ricerca grazie alla loro capacità di volare a lungo con un consumo minimo di carburante. Questa tesi si inserisce nella ricerca di nuove tecniche di propulsione e controllo. Il controllo dinamico dei dirigibili è sempre stato una delle sfida maggiori da affrontare, per aumentare la controllabilità sono state esplorate diverse soluzioni dal mondo nautico, come i propulsori di prua e i motori orientabili. Purtroppo implementare queste tecnologie in un velivolo LTA aumenta notevolmente i pesi e la complessità della costruzione. Alla luce del crescente interesse per i dirigibili ad alta quota (HAA) e per il volo autonomo, un obiettivo importante è quello di semplificare i progetti mantenendo le prestazioni richieste. Questa ricerca esplora il controllo dei dirigibili utilizzando cinture di propulsori fissi. Vengono utilizzate diverse configurazioni di propulsori elettro-dinamici (EHD). I motori EHD utilizzano forze elettrostatiche per generare spinta attraverso l’accelerazione degli ioni. Se si dimostreranno efficaci, queste tecnologie potrebbero ridurre la necessità di avere strutture mobili e complesse come le superfici di controllo o i motori orientabili. L’obiettivo primario di questa tesi è analizzare come questi propulsori possano essere posizionati strategi- camente per ottimizzare la reiezione dei disturbi. Lo studio mira a sviluppare uno strumento analitico per confrontare diversi layout di motori in termini di controllo dinamico, valutando gli effetti della quantità di motori e del loro posizionamento. La metodologia di ricerca prevede la derivazione di un modello dinamico dalla letteratura esistente e adattarlo per incorporare gli input delle cinture di motori ionici. La validazione del modello linearizzato è ottenuta attraverso un’analisi agli autovalori, confrontando i risultati con la letteratura esistente. Viene sviluppata una strategia di controllo LQR multivariabile per affrontare i disturbi nelle varie configurazioni. Le simulazioni numeriche valutano la capacità di ciascun layout di riportare all’equilibrio gli stati perturbati, con un benchmark definito per valutare le prestazioni. Lo studio si conclude presentando i risultati completi dei test numerici, offrendo approfondimenti sull’influenza dei parametri di progettazione sulle prestazioni e discutendo le caratteristiche di un layout ottimale.