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

Résumé

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.

Date	9 févr. 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	David St-Onge (Directeur(-trice)) & Ilyass Tabiai (Codirecteur(-trice))