Design and manufactring of an ultra-lightweight semi-rigid indoor airship for underground exploration

Kheirani, Afsaneh (2026). Design and manufactring of an ultra-lightweight semi-rigid indoor airship for underground exploration. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Robotic exploration of confined or hazardous environments, such as tunnels, industrial interiors, and underground caverns, remains constrained by the endurance, safety, and disturbance limits of conventional aerial platforms. Although multirotor drones offer precise control and hovering capability, their reliance on continuous thrust severely limits flight duration and payload capacity. Lighter-Than-Air (LTA) airship platforms offer a promising alternative. By generating lift through buoyancy rather than propulsion, they enable lower energy consumption, reduced aerodynamic disturbance, and inherently safer operation.

While significant progress has been made in the design of large, outdoor airships for stratospheric or tethered missions, where payload and endurance dominate design priorities, indoor LTAs operate at a drastically smaller scale (approximately one cubic meter), enabling navigation through narrow corridors and doorways. At this scale, stringent weight constraints mean that even marginal increases in structural mass reduce useful payload and endurance. The envelope, which can account for more than 30% of available lift, therefore becomes the most critical component governing overall system performance and reliability.

This thesis addresses these challenges through an integrated experimental and numerical investigation of robust but ultra-light indoor airship envelopes. Mechanical characterization of candidate materials led to the development of a coated polymer envelope optimized for minimal mass, mechanical durability, and improved gas retention, suitable for use in harsh mission environments. Complementing this effort, a finite element modeling framework was established in Abaqus/Explicit to evaluate structural responses under pressurization and low-velocity impact with environmental obstacles, comparing purely inflatable envelopes with semi-rigid designs reinforced by lightweight skeletons intended to protect the flight system in cluttered environments.

The findings demonstrate that semi-rigid reinforcement effectively mitigates deformation and damage during impacts, allowing the envelope to maintain structural integrity and continue operating while preserving buoyancy margins. The developed envelope achieved an excellent balance between strength and permeability and was successfully validated during an underground exploration mission, confirming performance beyond laboratory testing. The main contributions of this work include (i) a new dataset of mechanical properties for ultra-thin membranes benchmarked against conventional materials, (ii) a patented coated envelope design for indoor LTA platforms, and (iii) a reproducible impact simulation framework for semi-rigid and non-rigid LTA system configurations. Collectively, this research advances the development of next-generation indoor LTA vehicles capable of persistent, safe, and energy-efficient operation in previously inaccessible environments.

Titre traduit

Conception et fabrication d'un dirigeable d'intérieur semi-rigide ultra-léger pour l'exploration souterraine

Résumé traduit

L’exploration robotique d’environnements confinés ou dangereux – tels que les tunnels, les installations industrielles et les cavernes souterraines – demeure limitée par les contraintes d’endurance, de sécurité et de perturbation associées aux plateformes aériennes conventionnelles. Bien que les drones multirotors offrent un contrôle précis et une capacité de vol stationnaire, leur dépendance à une poussée continue restreint fortement la durée de vol et la capacité utile. Les plateformes LTA constituent une alternative prometteuse. En générant la portance par flottabilité plutôt que par propulsion, elles permettent une consommation énergétique réduite, une perturbation aérodynamique minimale et une interaction intrinsèquement plus sûre avec leur environnement.

Alors que d’importants progrès ont été réalisés dans la conception de grands dirigeables pour des missions stratosphériques ou captives – où la charge utile et l’endurance dominent les priorités de conception –, les Lighter-Than-Air (LTA) d’intérieur opèrent à une échelle beaucoup plus réduite (environ un mètre cube), ce qui leur permet d’évoluer dans des couloirs étroits et à travers des passages confinés. À cette échelle, des contraintes de masse très strictes signifient que même une légère augmentation de la masse structurelle réduit la charge utile et l’autonomie. L’enveloppe, pouvant représenter plus de 30% de la portance disponible, devient ainsi le composant le plus critique déterminant la performance et la fiabilité globales du système.

Cette thèse relève ces défis à travers une étude expérimentale et numérique intégrée portant sur le développement d’enveloppes de dirigeables d’intérieur à la fois robustes et ultra-légères. La caractérisation mécanique de matériaux candidats a conduit à la mise au point d’une bladder polymère enduite, optimisée pour une masse minimale, une durabilité mécanique accrue et une meilleure rétention du gaz, adaptée aux environnements de mission exigeants. En complément, un cadre de modélisation par éléments finis a été développé dans Abaqus/Explicit afin d’évaluer les réponses structurelles sous pressurisation et lors d’impacts à basse vitesse contre des obstacles environnementaux, en comparant des enveloppes purement gonflables à des conceptions semi-rigides renforcées par des squelettes légers destinés à protéger le système de vol dans des milieux encombrés.

Les résultats démontrent que le renforcement semi-rigide atténue efficacement la déformation et les dommages lors des impacts, permettant à l’enveloppe de conserver son intégrité structurelle et de continuer à fonctionner tout en préservant les marges de flottabilité. La bladder développée présente un excellent compromis entre résistance mécanique et perméabilité, et elle a été validée avec succès lors d’une mission d’exploration souterraine, confirmant ses performances au-delà des essais en laboratoire. Les principales contributions de ce travail incluent (i) une nouvelle base de données des propriétés mécaniques des membranes ultrafines comparées à des matériaux conventionnels, (ii) la conception brevetée d’une bladder enduite destinée aux plateformes LTA d’intérieur, et (iii) un cadre de simulation d’impact reproductible pour les configurations de systèmes LTA semi-rigides et non rigides. Dans l’ensemble, cette recherche fait progresser le développement d’une nouvelle génération de véhicules LTA d’intérieur capables d’évoluer de manière sûre, persistante et économe en énergie dans des environnements auparavant inaccessibles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 99-110).
Mots-clés libres:	dirigeable plus léger que l’air, LTA, robotique d’intérieur, structures gonflables, simulation par éléments finis, impact, enveloppe semi-rigide
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse St-Onge, David
Codirecteur:	Codirecteur Tabiai, Ilyass
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	13 mars 2026 13:59
Dernière modification:	13 mars 2026 13:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3843

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