A.L.D.O. : an optimum-seeking automated design algorithm for airships: from preliminary design to lofting

This thesis addresses the integration of three distinct computational modules into a unified design environment for airships, focussing on the seamless transfer of geometric and mass properties between the distinct solver modules. The first, Morning Star, implements the preliminary design through a lumped-parameter modelling approach, allowing initial estimates of component masses, geometry, and system layout. The second module, AFL, constructs and assembles the digital representation of the airship, incorporating its inertial properties, while the third and last module, SILCROAD, adds dynamic and aerodynamic simulation capabilities, facilitating flight performance evaluation, stability analysis, and virtual wind tunnel investigations. Key features include the longitudinal alignment of centre of gravity and buoyancy, essential for ensuring the desired property of pendulum stability, and the incorporation of a shape function within the initial design module, which enhances the customisability of the airship profile. Moreover, the overall solver has been engineered to maximise upstream parameter setting and tunability, minimising user intervention while supporting automated and precise design workflows. An advanced optimisation framework was then developed to automatically adjust the internal mass distribution and geometric configuration of the airship, with the aim of improving compliance with established certification criteria for dynamic flying qualities. In parallel, a comprehensive set of parametric studies was performed to extend the analysis beyond the optimised baseline, enabling a systematic assessment of the airship’s stability and control characteristics over a wide range of operative velocities and buoyancy ratios. By unifying initial design, component assembly, and dynamic simulation into a single, coherent environment, this work demonstrates the feasibility of an end-to-end automated design framework that significantly improves both the accuracy of design predictions and the flexibility of airship configuration.

Questa tesi affronta l’integrazione di tre distinti moduli computazionali in un ambiente di progettazione unificato per dirigibili, con particolare attenzione al trasferimento delle proprietà geometriche e di massa tra i diversi moduli di calcolo. Il primo modulo, Morning Star, realizza la progettazione iniziale tramite un approccio di modellazione a parametri concentrati, consentendo stime preliminari delle masse dei componenti, della geometria e della configurazione del sistema. Il secondo modulo, AFL, costruisce e assembla la rappresentazione digitale del dirigibile, includendo le proprietà inerziali, mentre il terzo modulo, SILCROAD, integra capacità di simulazione dinamica e aerodinamica, permettendo la valutazione delle prestazioni, l’analisi della stabilità e studi tramite galleria del vento virtuale. Tra le principali caratteristiche si annoverano l’allineamento longitudinale del centro di gravità e di galleggiamento, essenziale per garantire la pendulum stability, e l’integrazione di una funzione di forma all’interno del modulo di progettazione iniziale, che aumenta la personalizzazione del profilo del dirigibile. Inoltre, l’intero solver è stato concepito per massimizzare la configurabilità e la regolazione dei parametri a monte, riducendo l’intervento dell’utente e supportando flussi di lavoro automatizzati di alta precisione. È stato quindi sviluppato un ottimizzatore per regolare automaticamente la distribuzione interna delle masse e la configurazione del dirigibile, con l'obiettivo di migliorare la conformità ai criteri di certificazione stabiliti per le qualità di volo dinamiche. Parallelamente, sono stati eseguiti degli studi parametrici per estendere l'analisi oltre la configurazione di riferimento, consentendo una valutazione sistematica delle caratteristiche di stabilità e controllo del dirigibile su un'ampia gamma di velocità e rapporti di galleggiamento. Unendo progettazione iniziale, assemblaggio dei componenti e simulazione dinamica in un unico ambiente coerente, questo lavoro dimostra la fattibilità di un codice di progettazione automatizzato end-to-end, capace di migliorare significativamente sia l’accuratezza delle previsioni di progetto sia la flessibilità nella configurazione del dirigibile.