Modeling and Dynamic Simulations of a Tethered Airship

Tethered airships represent a promising solution for persistent high-altitude platforms with low environmental impact, suitable for applications such as surveillance, communications, and atmospheric monitoring. Their design and operation depend on an accurate understanding of the coupled dynamics between the airship, the tether, and the surrounding environment, which introduce strong non-linearities and flexibility effects that must be modeled to ensure stability and control. This thesis investigates the static and dynamic behavior of a tethered airship through the implementation of a catenary-based tether model proposed by Bigi et al. (2018) [1], embedded in a six-degree-of-freedom rigid-body flight dynamics framework for the airship. The model provides a consistent description of airship–tether coupling while preserving computational efficiency, and validation against benchmark cases confirms its reliability. The study begins with equilibrium and trim analyses, showing the capability of the propulsion system to sustain static equilibrium through differential thrust. An eigenvalue analysis follows, revealing modifications of classical airship modes and the emergence of tether-induced dynamics. Linearized and non-linear dynamic simulations under small perturbations show good agreement, validating the linearized formulation for stability analysis. Finally, a docking maneuver is simulated, demonstrating that a dual-layer SAS, damping angular rates via aerodynamic surfaces and regulating pitch via differential thrust, ensures stable behavior for most of the approach, with deviations limited to the final phase due to short tether length, steep inclination, and non-linear effects. Overall, the thesis confirms the effectiveness of the adopted tether model and SAS architecture in stabilizing tethered airship dynamics. The findings provide a reliable simulation framework and suggest future developments, including more advanced tether models able to capture both sagging and taut configurations, supported by experimental validation and refined control strategies.

I dirigibili vincolati rappresentano una soluzione promettente per piattaforme ad alta quota e a basso impatto ambientale, adatte ad applicazioni quali sorveglianza, comunicazioni e monitoraggio atmosferico. La loro progettazione e gestione operativa richiedono un’accurata comprensione della dinamica accoppiata tra dirigibile, cavo e ambiente circostante, che introduce forti non-linearità ed effetti di flessibilità che devono essere modellati per garantire stabilità e controllo. La presente tesi esamina il comportamento statico e dinamico di un dirigibile vincolato attraverso l’implementazione di un modello di cavo a catenaria proposto da Bigi et al. (2018) [1], incorporato in un modello di dinamica di volo a sei gradi di libertà per il dirigibile, assunto come corpo rigido. Il modello fornisce una descrizione coerente dell’accoppiamento tra dirigibile e cavo, preservando l’efficienza computazionale, e viene validato riproducendo casi di riferimento che ne confermano la sua affidabilità. Lo studio inizia con un’analisi di trim, mostrando la capacità del sistema propulsivo di mantenere l’equilibrio statico attraverso la spinta differenziale. Successivamente viene svolta un’analisi agli autovalori che rivela modifiche dei modi classici del dirigibile e l’emergere di dinamiche indotte dal cavo. Le simulazioni dinamiche non-lineari e linearizzate coincidono per piccole perturbazioni, validando la formulazione linearizzata usata per le analisi di stabilità. Infine, viene simulata una manovra di docking che dimostra come un SAS, che smorza le velocità angolari tramite le superfici aerodinamiche e regola il beccheggio attraverso la spinta differenziale, assicuri un comportamento stabile per la maggior parte della manovra, con deviazioni limitate solo alla fase finale a causa della ridotta lunghezza del cavo, della forte inclinazione e degli effetti non-lineari. Nel complesso, la tesi conferma l’efficacia dei modelli adottati nello studio della dinamica del dirigibile vincolato. I risultati forniscono un affidabile framework di simulazione e indicano possibili sviluppi futuri, come modelli di cavo più avanzati che rappresentino sia configurazioni in sag che in trazione, supportati da strategie di controllo più raffinate.