Airship design methods: from conceptual design to detailed lofting through the analysis of trim and dynamic performance

The aim of this thesis is to determine an automatic procedure that, starting from the definition of the weights of the systems on board the airship, defines the precise lofting in order to guarantee the static balance, trimming and dynamic performance specified by the designer. The airship is intended to carry out a mission at low altitude to demonstrate the feasibility of using ion-plasma thrusters to power and control the airborne phase. The technology has been developed within the IPROP project, and is being studied with the aim of creating a technology that can be widely adopted in the future due to some advantages, including a higher time between overhauls and lower detectability, compared to conventional electric propulsion. The study presents a method to define the exact mass of the airship's systems and subsystems. The aim of this part is to minimise the dimensions and weight of the vehicle. A process for determining the dimensions and weights of the ion-plasma thrusters has been introduced and integrated into the design method. Starting from two initial configurations of the airship, an open-loop routine was developed. Firstly, this procedure changes the layouts in order to compare them, and establish the optimal configuration through the analysis of the static balancing and trimming. Then, a Stability Augmentation System (SAS) was defined for the selected layout, and the airship was tested in a short low-altitude mission with some perturbations applied to the initial flight conditions, used as a test bed, to evaluate only the dynamic behaviour of the airship. An optimiser has been designed, which, respecting the static balancing and trimming, provides the optimal thrusters layout for obtaining fixed dynamic performance. The final result of the work is represented by the airship configuration that simultaneously guarantees static balancing, trimming and the specified dynamic performance. The proposed approach allows to speed up the preliminary design phase, by providing a methodology that enables to design the airship using an automatic algorithm.

Questa tesi presenta una metodologia automatica che, partendo dalla definizione dei pesi dei sistemi a bordo del dirigibile, determina il posizionamento dei sistemi e dei componenti in modo da garantire l'equilibrio statico, il trimmaggio e le prestazioni dinamiche richieste dal progettista. L'obiettivo del dirigibile è quello di svolgere una missione a bassa quota in modo da dimostrare le possibilità di utilizzo di propulsori a ioni di plasma per muovere e controllare il dirigibile in volo. Questa tecnologia è stata sviluppata nell'ambito del progetto IPROP ed è attualmente in studio, in quanto potrebbe essere ampiamente adottata in futuro grazie a diversi vantaggi offerti, come un maggior tempo tra le visite in officina e una minore rilevabilità, se comparata con la propulsione elettrica convenzionale. Lo studio presenta un metodo per definire la massa dei sistemi e dei sottosistemi del dirigibile. L'obiettivo di questa parte è quello di minimizzare le dimensioni e il peso del velivolo. Nel metodo di progettazione, è stata introdotta una procedura per determinare le dimensioni e il peso dei propulsori a ioni di plasma. Partendo da due configurazioni iniziali del dirigibile, è stata sviluppata una routine a ciclo aperto. Inizialmente, questa procedura modifica i layout in modo da confrontarli e stabilire la configurazione ottimale attraverso l'analisi del bilanciamento statico e il trimmaggio. Per il layout selezionato, è stato definito un Sistema di Aumento della Stabilità (SAS), e successivamente il dirigibile è stato testato in una breve missione a bassa quota con applicate delle perturbazioni alle condizioni di volo iniziali, usata come banco di prova, per valutare il comportamento dinamico del dirigibile. È stato progettato un ottimizzatore che, rispettando il bilanciamento statico e il trimmaggio, fornisce la configurazione ottimale che garantisce determinate prestazioni dinamiche. Il risultato finale del lavoro è rappresentato dalla configurazione del dirigibile che simultaneamente garantisce il bilanciamento statico, il trimmaggio e specifiche performance dinamiche. La procedura proposta consente di accelerare la fase di progettazione preliminare, fornendo una metodologia che permette di progettare il dirigibile utilizzando un algoritmo automatico.