Design, manufacturing and preliminary flight testing of a small-scale thrust-controlled airship

This work presents the design, manufacture and analysis of a small-scale prototype airship, intended as a study pre-prototype for a full scale machine to be designed and manufactured within project IPROP, featuring an innovative propulsion layout. The design process, based on the tools Morning Star and AFL, developed internally in MATLAB® environment specifically for preliminary sizing and lofting of lighter-than-air (LTA) platforms, was customized to enhance the accuracy of weight prediction and to allow for static balancing. Material selection was guided by performance-to-weight trade-offs and refined through a series of purpose-designed algorithms and predictions implemented anew. The resulting airship system features a high flexibility in terms of topological changes, making it an ideal platform for the exploration of the effectiveness of different propul- sive configurations, as well as for characterizing in terms of static and dynamic flight performance the outcome of diverse configurations of the on-board weight components. Concurrently, the sizing tools have been validated through measures following the man- ufacturing process, showing mass estimation errors below 10% even when working with relatively low-technology materials and uncertainties on raw technological data. Future developments will involve the addition of on-board telemetry and measurement systems, to support dynamic testing and characterization of the machine.

Questo lavoro presenta la progettazione, la realizzazione e l’analisi di un prototipo di dirigibile in scala ridotta, concepito come uno studio preliminare a supporto della futura progettazione e costruzione di un velivolo in scala reale all’interno del progetto IPROP, caratterizzato da una configurazione propulsiva innovativa. Il processo di progettazione, basato sugli strumenti Morning Star e AFL, sviluppati inter- namente nell’ambiente MATLAB®, è stato specificamente adattato per il dimensionamento preliminare e il lofting di piattaforme aerostatiche Lighter-Than-Air (LTA), con l’obiettivo di migliorare la precisione nella stima delle masse e consentire il bilanciamento statico. La selezione dei materiali è stata guidata da un’analisi del compromesso tra prestazioni e peso, ed è stata affinata mediante una serie di algoritmi appositamente sviluppati e implementati ex-novo per previsioni dedicate. Il sistema risultante presenta un’elevata flessibilità in termini di modifiche topologiche, rendendolo una piattaforma ideale per l’esplorazione dell’efficacia di differenti configu- razioni propulsive e per la caratterizzazione, sia statica che dinamica, delle prestazioni di volo al variare della disposizione dei componenti di massa a bordo. Parallelamente, gli strumenti di dimensionamento sono stati validati attraverso misurazioni effettuate a seguito della fase di realizzazione, mostrando errori nella stima della massa inferiori al 10%, anche operando con materiali a basso contenuto tecnologico e dati grezzi soggetti a incertezza. Gli sviluppi futuri prevedono l’integrazione di sistemi di telemetria e misura a bordo, fi- nalizzati a supportare le attività di test dinamici e la caratterizzazione del comportamento del velivolo.