Metodologie innovative per il concept design mission-based di unità navali di nuova generazione: applicazione al caso della Drone Carrier

The increasing integration of unmanned systems, distributed maritime operations, and high-energy mission technologies is reshaping the requirements imposed on future naval platforms. Conventional concept design approaches, mainly based on reference ships, deterministic requirements, and sequential design spirals, are not fully adequate for novel unmanned-centric vessels whose effectiveness depends on stochastic mission demand, internal operational flows, mission-dependent electrical loads, and multi-domain payload integration. This thesis addresses this methodological gap by developing an integrated mission-based concept design framework for innovative naval vessels, applied to the case of a Drone Carrier. The proposed framework connects operational analysis, dynamic simulation, energy modelling, mathematical ship representation, and multi-attribute decision-making within a single traceable workflow. Starting from the Concept of Operations, a Monte Carlo mission generator translates mission taxonomy, threat levels, asset operational cycles, and mission-duration uncertainty into quantitative design inputs. These scenarios are used to derive the required embarked complement and to support the definition of mission profiles. A Discrete Event Simulation model is then introduced to assess flight-deck operations and onboard resource interactions before the general arrangement is fixed. By representing UAV preparation, elevator transfer, taxiing, launch, recovery, servicing, queues, and priority rules, the model identifies operational bottlenecks and compares alternative deck and elevator configurations. In parallel, a probabilistic mission-based Energy Storage System sizing procedure is developed through an Extended Electric Power Load Analysis, accounting for unmanned-vehicle support, high-power mission systems, launch and recovery equipment, and stochastic load profiles. The resulting operational and energetic information is embedded into a Mathematical Design Model of the Drone Carrier, including geometry, resistance and propulsion, electric power balance, generator selection, endurance, ESS sizing, weight budget, centre of gravity, intact stability, operability, and dynamic-positioning performance. Design alternatives are generated, screened for feasibility, and evaluated through a Multi-Attribute Decision-Making process based on Pareto dominance, AHP-derived weights, and TOPSIS ranking. The application demonstrates that the design of unmanned-centric naval platforms is governed by strongly coupled operational, energetic, and architectural drivers. The Discrete Event Simulation (DES) analysis reveals the migration of bottlenecks from support-team availability to flight-deck and elevator configuration, while the probabilistic ESS analysis shows that energy storage requirements cannot be derived from a single deterministic loading condition. The original contribution of the thesis is therefore a coherent and reproducible framework that shifts early-stage naval design from a platform-centred and sequential logic toward a mission-driven, simulation-supported, and decision-oriented methodology, extendable to future naval platforms characterised by operational uncertainty, unmanned-system integration, high-energy loads, and complex multi-attribute trade-offs.

La crescente integrazione di sistemi unmanned, operazioni marittime distribuite e tecnologie di missione ad elevato assorbimento energetico sta modificando in modo sostanziale i requisiti delle piattaforme navali di nuova generazione. Gli approcci convenzionali al concept design, basati su navi di riferimento, requisiti deterministici e processi sequenziali riconducibili alla spirale di progetto, risultano solo parzialmente adeguati per unità innovative e unmanned-centriche, la cui efficacia dipende da domanda di missione stocastica, flussi operativi interni, carichi elettrici mission-dependent e integrazione di payload multi-dominio. La presente tesi affronta tale lacuna metodologica sviluppando un framework integrato per il concept design mission-based di unità navali innovative, applicato al caso di una Drone Carrier. Il framework proposto connette analisi operativa, simulazione dinamica, modellazione energetica, rappresentazione matematica della nave e processi di decisione multi-attributo all’interno di un flusso di lavoro tracciabile. A partire dal Concept of Operations, un generatore Monte Carlo di missioni traduce tassonomia delle missioni, livelli di minaccia, cicli operativi degli asset e incertezza sulla durata delle missioni in input quantitativi di progetto, impiegati per determinare il complemento imbarcato e definire i profili di missione. Viene quindi introdotto un modello di Discrete Event Simulation per valutare le operazioni sul ponte di volo e le interazioni tra risorse di bordo prima della definizione finale del general arrangement. Modellando preparazione degli UAV, trasferimento tramite elevatori, taxiing, lancio, recupero, servicing, code e regole di priorità, il modello identifica i colli di bottiglia operativi e confronta configurazioni alternative di ponte ed elevatori. In parallelo, una procedura probabilistica mission-based per il dimensionamento dell’Energy Storage System, basata su una Extended Electric Power Load Analysis, considera supporto agli unmanned vehicle, sistemi di missione ad alta potenza, apparati di lancio e recupero e profili di carico stocastici. Le informazioni operative ed energetiche così ottenute sono integrate in un Mathematical Design Model della Drone Carrier, comprendente geometria, resistenza e propulsione, bilancio elettrico, selezione dei generatori, autonomia, dimensionamento dell’ESS, bilancio dei pesi, centro di gravità, stabilità integra, operabilità e prestazioni in dynamic positioning. Le alternative progettuali sono generate, verificate in termini di fattibilità e valutate mediante un processo di Multi-Attribute Decision-Making basato su dominanza di Pareto, pesi AHP e ranking TOPSIS. L’applicazione dimostra che il progetto di piattaforme navali unmanned-centriche è governato da driver operativi, energetici e architetturali fortemente accoppiati. L’analisi DES evidenzia la migrazione dei colli di bottiglia dalla disponibilità dei team di supporto alla configurazione del ponte di volo e degli elevatori, mentre l’analisi probabilistica dell’ESS mostra che i requisiti di accumulo energetico non possono essere derivati da una singola condizione deterministica. Il contributo originale della tesi consiste quindi in un framework coerente e riproducibile che orienta il progetto navale preliminare da una logica sequenziale e platform-centred verso una metodologia mission-driven, supportata da simulazione e finalizzata al processo decisionale, estendibile a future piattaforme caratterizzate da incertezza operativa, integrazione unmanned, carichi ad alta energia e complessi trade-off multi-attributo.