Combination of aerodynamic lift and buoyancy for the development of hybrid airships with high endurance

This thesis presents the conceptual design and sizing of hybrid-lift unmanned aerial vehicles (UAVs) that combine aerostatic, aerodynamic, and propulsive lift. The study aims to bridge the performance gap between conventional multicopters, limited by endurance, and classical airships, limited by volume and controllability. Two architectures are investigated: a tri-lobed lifting-body hybrid airship and a spherical buoyant quadrotor UAV. A MATLAB-based sizing tool is developed, extending the semiempirical method of Carichner and Nicolai to include the effects of buoyancy ratio, mission energy balance, and electric propulsion constraints. The algorithm iteratively finds the equilibrium between total weight and available buoyant and aerodynamic/propulsive lift, accounting for aerodynamic drag, subsystem masses, and battery sizing. Sensitivity studies highlight a key result: the existence of a critical cruise velocity above which the solution diverges due to a high requirement in terms of power and energy, which causes divergence of battery mass and so also of takeoff mass and hull volume. Required power and energy depend strongly on the zero-lift drag coefficient, showing that aerodynamic refinement significantly extends the feasible speed range. Compared with existing large hybrid demonstrators, such as the Airlander 10 and the Lockheed Martin P-791, the two proposed configurations are significantly smaller in size and appear well-suited for low-altitude, short-range, and autonomous logistics operations. This research, therefore, establishes a preliminary framework to support future developments toward efficient, autonomous, and low-emission aerial mobility.

La presente tesi tratta la progettazione concettuale di velivoli a sostentazione verticale ibrida che combinano portanza aerostatica, aerodinamica e propulsiva. L’obiettivo è colmare il divario prestazionale tra i multicotteri, penalizzati dall’autonomia ridotta, e i dirigibili classici, limitati da grande volume e scarsa manovrabilità. Sono state analizzate due configurazioni: un dirigibile tri-lobato a corpo portante e un UAV sferico sostenuto da quattro eliche (quadrirotore). È stato sviluppato un codice di dimensionamento in MATLAB che estende il metodo semi-empirico di Carichner e Nicolai, includendo gli effetti del rapporto di galleggiamento, del bilancio energetico di missione e dei vincoli della propulsione elettrica. L’algoritmo ricerca l’equilibrio tra peso totale e portanza aerostatica e aerodinamica/propulsiva disponibili, considerando la resistenza aerodinamica, le masse dei sottosistemi e il dimensionamento delle batterie. Le analisi di sensitività evidenziano un risultato chiave: l’esistenza di una velocità di crociera critica oltre la quale la potenza e l’energia richieste crescono rapidamente, causando la divergenza della massa delle batterie, e quindi anche della massa al decollo e del volume dell’involucro. La potenza e l’energia richieste dipendono fortemente dal coefficiente di resistenza a portanza nulla, mostrando come un affinamento aerodinamico possa estendere in modo significativo il campo di velocità operative. Rispetto ai principali dimostratori ibridi esistenti di grandi dimensioni, come l’Airlander 10 e il Lockheed Martin P-791, le due configurazioni sono caratterizzate da dimensioni ridotte e risultano adatte a missioni logistiche autonome, di breve raggio e a bassa quota. Il lavoro fornisce un quadro metodologico per futuri sviluppi verso una mobilità aerea efficiente, autonoma e a basse emissioni.