Investigation of longitudinal stability of a small scale airship with low fineness ratio

This study investigates the longitudinal stability of a small-scale airship through both experimental and numerical approaches. The main objective is to characterize the longitudinal static stability in relation to the design of the tail empennage. Specifically, the study aims to express longitudinal stability as a function of a single non-dimensional parameter: the horizontal tail volume coefficient. This coefficient is defined by two geometric factors: the horizontal tail surface area and the distance between the tail and the center of gravity, representing the lifting surface and the moment arm of the aerodynamic force, respectively. Four different tail sets were manufactured, and the experimental campaign tested three tail configurations, resulting in twelve distinct horizontal tail volume coefficients. The results revealed a linear relationship between the horizontal tail volume coefficient and the longitudinal stability derivative. The study demonstrates that, when analyzing longitudinal stability, the influence of the specific tail configuration is secondary: the achievement of a desired stability derivative depends primarily on the horizontal tail volume coefficient, and thus on the tail’s lifting surface and the aerodynamic moment arm relative to the center of gravity. Although this work focuses exclusively on longitudinal stability, the methodology can be extended to directional stability by considering the vertical tail volume coefficient, which characterizes the surface generating yawing moments.

Il presente studio analizza la stabilità longitudinale di un dirigibile su piccola scala mediante approcci sperimentali e numerici. L’obiettivo principale è caratterizzare la stabilità statica longitudinale in relazione al progetto dell’impennaggio di coda. In particolare, lo studio mira a esprimere la stabilità longitudinale come funzione di un unico parametro adimensionale: il coefficiente di volume della coda orizzontale. Questo coefficiente è definito da due fattori geometrici: la superficie della coda orizzontale e la distanza tra la coda e il baricentro, che rappresentano rispettivamente la superficie portante e il braccio del momento aerodinamico. Sono stati realizzati quattro diversi set di code, e la campagna sperimentale ha testato tre configurazioni, generando dodici differenti valori del coefficiente di volume della coda orizzontale. I risultati hanno evidenziato una relazione lineare tra il coefficiente di volume della coda orizzontale e la derivata di stabilità longitudinale. Lo studio dimostra che, nell’analisi della stabilità longitudinale, l’influenza della specifica configurazione della coda è secondaria: il raggiungimento di un determinato valore della derivata di stabilità dipende principalmente dal coefficiente di volume della coda orizzontale, e quindi dalla superficie portante della coda e dal braccio del momento aerodinamico rispetto al baricentro. Sebbene il lavoro si concentri esclusivamente sulla stabilità longitudinale, la metodologia proposta può essere estesa alla stabilità direzionale considerando il coefficiente di volume della coda verticale, che rappresenta la superficie responsabile dei momenti di imbardata.