Analysis and simulation of Venus Aerobot Balloon shape and dynamics

This thesis presents a comprehensive analysis and simulation of the Venus Aerobot Balloon, a project of the Jet Propulsion Laboratory (NASA) designed for planetary exploration in extreme atmospheric environments. The distinctive "balloon-in-balloon" configuration, with an inner balloon enclosed by an outer shell, enables precise control over buoyancy and altitude, offering significant advancements beyond traditional single-balloon designs. Building on Baginski's natural-shape model, this work refines differential equations to more accurately capture the equilibrium shapes critical to the Aerobot's operational needs on Venus. Key developments include a shape model based on axisymmetric assumptions and circumferential stress analysis, a panel-method approach for calculating hydrodynamic added mass, and a vertical ascent simulator. Validated with Blackrock Desert flight data, this simulator integrates shape-model interpolation and a gas transfer mechanism to replicate the Aerobot's ascent behavior under realistic conditions. Additionally, lateral oscillations of the balloon were analyzed through a simplified model to capture the natural oscillation frequencies when the balloon rotates about its base from its equilibrium vertical position, providing additional insights into balloon's dynamics. Together, these developments advance modeling and control strategies for multi-layered balloons in atmospheric missions, contributing to the progression of exploration technology.

Questa tesi presenta un'analisi e simulazione completa del Venus Aerobot Balloon, un progetto del Jet propulsion Laboratory (NASA) concepito l'esplorazione planetaria in ambienti atmosferici estremi. La caratteristica configurazione "pallone-nel-pallone", con un pallone interno racchiuso da un involucro esterno, consente un controllo preciso della spinta e dell'altitudine, offrendo significativi progressi rispetto ai modelli tradizionali a singolo pallone. Sviluppando il modello di forma naturale di Baginski, questo lavoro modifica le equazioni differenziali per descrivere più accuratamente le forme di equilibrio essenziali per le operazioni dell'Aerobot su Venere. I principali sviluppi includono un modello di forma basato su assunzioni di assialità e analisi delle tensioni circonferenziali, un metodo a pannelli per il calcolo della massa aggiunta idrodinamica e un simulatore di ascesa verticale. Validato con i dati di volo del Blackrock Desert, questo simulatore integra l'interpolazione del modello di forma e un meccanismo di trasferimento di gas per replicare il comportamento di ascesa dell’Aerobot in condizioni realistiche. Inoltre, le oscillazioni laterali del pallone sono state analizzate tramite un modello semplificato per catturare le frequenze naturali di oscillazione quando il pallone ruota rispetto alla base dalla sua posizione di equilibrio verticale, fornendo ulteriori approfondimenti sulla dinamica del pallone. Nel complesso, questi sviluppi avanzano le strategie di modellazione e controllo per palloni multistrato nelle missioni atmosferiche, contribuendo al progresso delle tecnologie di esplorazione.