Development and validation of a dynamics model for an unmanned finless airship

• Main Author: Peddiraju, Prashant
• Other Authors: Meyer Nahon (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2010
• Subjects: Engineering - Aerospace
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=92186

The research described in this thesis relates to a highly-maneuverable, almost-lighter-than-air vehicle (ALTAV). The vehicle is controlled by four vectored thrusters and is marginally stable due to its finless design. In order to better understand the behavior of this vehicle, a non-linear mathematical model was developed to represent the behavior of the airship under the effect of thruster forces and wind. The underlying equations of motion in the dynamics model take into account aerostatic and aerodynamic forces on the airship. Physical parameters used in the equations of motion were estimated through experiments and a CAD model. The viscous drag acting on the hull was computed for a 360 degrees range of angle of attack by adapting an existing semi-empirical method for slender bodies. A model of the vectored thrusters developed from experimental data was shown to provide good agreement with actual thrust measurements under static conditions. Reference flight data for model validation was obtained by measuring the airship's response to environmental disturbances and thruster inputs. In general, the simulation was found to provide a reasonable estimate of the airship's roll, pitch and vertical trajectory. However, the airship motion was strongly affected by wind. This suggests that better results would be obtained if the simulation could better reproduce the wind conditions existing during the flight tests. === La recherche décrite dans cette thèse fait réference à un vehicule flottant très manœuvrable. Le véhicule est contrôlé par quatre propulseurs et a peu de stabilité en raison de sa conception sans ailettes. Afin de mieux comprendre le comportement de ce véhicule, un modèle mathématique non-linéaire a été développé pour representer le comportement de l'aéronef sous les effets de ses propulseurs et du vent. Les équations de déplacements/mouvements dans le modèle dynamique prennent en considération les interactions aérostatiques et aérodynamiques qui se produisent entre l'aéronef et l'air environnant. Les paramètres physiques utilisés dans les équations de mouvement ont été estimés à l'aide déssais réels et d'un modèle CAO(CAD). La resistance aérodynamique agissant sur le châssis a été calculée pour des angles d'attaque de 0 deg à 360 deg en adaptant une méthode semi-empirique applicable aux corps minces. Un modèle des propulseurs développé à partir de données expérimentales a démontré un bon accord avec les données de propulsion réelles dans des conditions statiques. Les données pour la validation du modeèle ont été obtenues en mesurant la reaction de l'aéronef sous léffet de perturbations environnementales et de l'action des propulseurs. En général, la simulation a fourni une estimation raisonnable du roulis, du tangage, et de la trajectoire verticale de l'aéronef. Toutefois, le mouvement de l'aéronef est susceptible d'être fortement affecté par le vent. Ceci suggère que de meilleurs résultats seraient obtenus si la simulation pouvait mieux reproduire les conditions de vent existantes pendant les essais en vol.