Evaluating critical design parameters of small airships through analytical tools

Patel, Hemil (2025). Evaluating critical design parameters of small airships through analytical tools. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Airships are versatile lighter-than-air aerial vehicles suitable for applications ranging from aerial observation to cargo transport. Unlike rigid airships, non-rigid airships or blimps rely solely on the internal gas pressure (commonly helium, hydrogen or a mixture of both) to maintain their shape, offering simplicity and adaptability at the cost of increased sensitivity to stress-induced deformations. This tradeoff ultimately affects other critical aspects of performance, including aerostatics, aerodynamics, inertia and structural rigidity.

This study addresses these challenges by developing a comprehensive parametric framework to evaluate buoyancy, permeability, aerodynamic drag, added mass, rigidity, and aesthetics. Four geometries sphere, oblate ellipsoid, prolate ellipsoid, and elliptical cylinder are analyzed using custom and general analytical tools, with results validated through numerical and an- alytical methods. The available results are presented into a collective use cases along with several use cases utilizing the data, particularly relevant for small or indoor operations, which must operate efficiently with safety in confined spaces and can often house minimal infrastructure.

Key findings reveal that, among the geometries studied, spherical shapes excel in buoyancy, prolate ellipsoids offer superior aerodynamic drag and added mass characteristics, elliptical cylinders possess favorable structural rigidity and added mass properties, and oblate ellipsoids exhibit minimal wrinkling. By incorporating less-explored factors such as material permeability and visual appeal, this work expands traditional airship design considerations. The proposed framework supports tailored solutions for small indoor and other specific applications, enabling new designers to balance trade offs among competing performance metrics.

Titre traduit

Analyse des paramètres critiques de conception des petits dirigeables à l’aide d’outils analytiques

Résumé traduit

Les dirigeables sont des aéronefs polyvalents à sustentation par flottabilité, adaptés à des applications allant de l’observation aérienne au transport de marchandises. Contrairement aux dirigeables rigides, les dirigeables non rigides (ou blimps) reposent uniquement sur la pression interne du gaz (généralement de l’hélium, de l’hydrogène ou un mélange des deux) pour maintenir leur forme, offrant ainsi simplicité et adaptabilité, mais au prix d’une sensibilité accrue aux déformations induites par le stress. Ce compromis affecte ultimement d’autres aspects critiques des performances, notamment l’aérostatisme, l’aérodynamique, l’inertie et la rigidité structurelle.

Cette étude aborde ces défis en développant un cadre paramétrique complet pour évaluer la portance, la perméabilité, la traînée aérodynamique, la masse ajoutée, la rigidité et l’esthétique. Quatre géométries la sphère, l’ellipsoïde oblat, l’ellipsoïde prolato et le cylindre elliptique sont analysées à l’aide d’outils analytiques personnalisés et commerciaux, les résultats étant validés par des méthodes numériques et analytiques. Les résultats obtenus sont présentés sous forme d’un ensemble de données collectif, accompagnés de plusieurs cas d’utilisation particulièrement pertinents pour des opérations de petite taille ou en intérieur, qui doivent fonctionner efficacement et en toute sécurité dans des espaces confinés et nécessitent souvent une infrastructure minimale.

Les conclusions clés révèlent que, parmi les géométries étudiées, les formes sphériques excellent en portance, les ellipsoïdes prolato offrent de meilleures caractéristiques en termes de traînée aérodynamique et de masse ajoutée, les cylindres elliptiques possèdent une rigidité structurelle et des propriétés de masse ajoutée favorables, et les ellipsoïdes oblat présentent un minimum de plis. En intégrant des facteurs moins explorés tels que la perméabilité des matériaux et l’attrait visuel, ce travail élargit les considérations traditionnelles de conception des dirigeables. Le cadre proposé soutient des solutions sur mesure pour des applications intérieures de petite taille et d’autres applications spécifiques, permettant aux nouveaux concepteurs d’équilibrer les compromis entre les différentes performances.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in aerospace engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 117-121).
Mots-clés libres:	dirigeable, plus léger que l’air, traînée de forme, masse ajoutée, rigidité structurale, méthode des éléments de frontière, méthode de conception, simulation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse St-Onge, David
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	02 juin 2025 18:01
Dernière modification:	02 juin 2025 18:01
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3624

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