SSBJ conceptual design and thermodynamic cycle analysis of an engine implementing plasma technology

The greatest challenge for the future of the aviation industry is undoubtedly to replace the use of fossil fuel with more ecological and renewable energy sources, and numerous solutions are currently being researched and developed. Among the most ambitious and innovative is the proposal by Sylphaero, a French start-up, to replace the combustion chamber of a conventional engine architecture with a device that generates a thermal plasma using electrical energy. This thesis focuses on the definition of methods and tools that can be used to analyse the thermodynamic cycle of an engine implementing plasma technology. Assuming to design a turbojet to be mounted on a supersonic business jet, an initial conceptual design of the aircraft was carried out based on the company's desired mission requirements. A weight estimation procedure was performed and the design point was found on the basis of the requirements dictated by the current regulations. Subsequently, the pyCycle library was used to build a simple turbojet model in order to analyse its thermodynamic cycle, and a method was proposed to utilise within the software the thermodynamic data related to plasma technology. The results obtained turned out to be representative of the studied phenomenon and thus demonstrate that the method is indeed working. Nevertheless, for future development of the project, it is necessary to complexify the model and integrate a calculation of the plasma chemical composition.

La più grande sfida nel futuro dell’industria aeronautica è senza dubbio quella di sostituire l’uso del combustibile fossile con fonti di energia più ecologiche e rinnovabili, e numerose sono le soluzioni che sono attualmente in corso di studio e sviluppo. Tra le più ambiziose ed innovative, la proposta di Sylphaero, start-up francese, che vede la sostituzione della camera di combustione di una architettura motore convenzionale con un dispositivo che generi un plasma termico sfruttando energia elettrica. Questo lavoro di tesi è incentrato sulla definizione di metodi e strumenti che possano essere usati per analizzare il ciclo termodinamico di un motore implementante la tecnologia al plasma. Ipotizzando di voler progettare un turbojet da installare su di un aereo d’affari supersonico, è stata eseguita una prima attività di design concettuale del velivolo sulla base dei requisiti missione desiderati dall’azienda. È stata svolta una procedura di stima dei pesi e ne è stato trovato il punto di design sulla base dei requisiti dettati dalla regolamentazione in vigore. Successivamente, è stata utilizzata la libreria pyCycle per costruire un semplice modello di turbojet per analizzarne il ciclo termodinamico ed è stato proposto un metodo per utilizzare all’interno del software i dati termodinamici relativi alla tecnologia al plasma. I risultati ottenuti si sono rivelati rappresentativi del fenomeno studiato e quindi dimostrano che il metodo impiegato è effettivamente funzionante. Ciononostante, per un futuro sviluppo del progetto è necessario complessificare il modello ed integrare un calcolo della composizione chimica del plasma.