Towards the preliminary sizing of hydrogen-burning jet aircraft

Climate crisis and greenhouse effect are some of the problems the whole world is facing and civil aviation sector is taking up the challenge. In order to understand how CO2 emission during flight can be reduced, the most interesting propulsive solutions have been discussed, along with the developed concepts and their up to date implementation. The choice of hydrogen to power large commercial aircraft instead of the presented possible solutions has been motivated as well. The following work focuses on the extension of the already existing Hyperion code, to model CS25 jetliner. More precisely, this work has covered the modeling of turbofan mass regression and empty mass fraction regression, both applied in the preliminary sizing process. A detailed, thermodynamic model of a turbofan has been created, along with its conversion into an hydrogen burning one, underlying advantages and disadvantages of this solution. The drag polar model of a generic CS25 aircraft has also been obtained, that will be used to compute aerodynamic drag during flight. At the end, a realistic tool to estimate airplane’s design point upon certification requirements and performance items, known as the Sizing Matrix Plot, has been created and then properly validated. Although the entire model is not complete, all the developed tools pave the way to a conspicuous extension of the Hyperion code to CS25 jet aircraft, making the sizing of such hydrogen powered airplanes, feasible.

L'attuale crisi climatica e l'effetto serra sono alcune delle grandi sfide che il mondo intero sta affrontando. Il settore dell'aviazione civile, è anch'esso impegnato in questa ricerca. Allo scopo di comprendere come è possibile ridurre l'emissione di anidride carbonica durante il volo, sono state discusse le soluzioni propulsive preponderanti, unitamente ai prototipi e ai modelli fino ad oggi sviluppati. E' stata successivamente motivata la scelta di impiegare idrogeno come fonte di energia per i grandi velivoli passeggeri a fronte delle altre strategie illustrate, mentre la parte seguente dell'elaborato si concentra sull'estensione di Hyperion, per modellare proprio tale classe di velivoli. Nel dettaglio, è stata dettagliata la creazione di apposite regressioni riguardanti la massa di motori turbofan in relazione alla spinta sviluppata e al Bypass Ratio, oltre a quella relativa alla massa a vuoto dei velivoli CS25, entrambe impiegate solitamente durante il dimensionamento preliminare. Successivamente è stato realizzato un modello termodinamico di un generico motore turbofan, oltre alla sua conversione per poter impiegare idrogeno come fonte di energia, sottolineando vantaggi e svantaggi di tale soluzione. Si è anche ottenuto un modello affidabile per la stima del coefficiente di resistenza parassita e dunque della stima della polare parabolica di un generico velivolo CS25, che verrà impiegata per modellare la resistenza aerodinamica durante il volo. Da ultimo, è stato realizzato e validato un Sizing Matrix Plot dedicato a questa classe di aeroplani, utilizzato per determinare il punto di progetto sulla base di requisiti di prestazione e certificativi. Nonostante l'intero modello non sia completo, tutte le funzioni finora sviluppate aprono la strada ad una proficua estensione di Hyperion ai velivoli a getto CS25, rendendo il dimensionamento preliminare di aeroplani di tale classe alimentati a idrogeno, possibile.