Preliminary sizing of hydrogen-burning jet aircraft

In order to achieve net-zero carbon aviation emissions by 2050, new alternatives to fossil-fuels are necessary. Liquid hydrogen, thanks to its high specific energy, is the most promising source to power future CS25 jetliners. This thesis aims to develop an extension of the HYPERION software able to perform the preliminary sizing of both conventional and hydrogen-burning jet aircraft in order to assess energy consumption, performance and capabilities of innovative designs. First, the development and validation of the functions modelling aerodynamics, propulsion and structural weights of CS25 aircraft is carried out. This phase is followed by an extended validation of conventional aircraft belonging to different weight classes. The First hydrogen-sizings are performed by replacing the propulsion system of the Airbus A320 and A350-900, representative of the short-medium and long range classes, with new hydrogen-burning engines and adding the cryogenic tank, whose dimensions lead to a reduction in the volumetric payload capacity. Starting from the same performance requirements of the A320 and A359, the clean-sheet sizing of two new hydrogen-burning aircraft is carried out; these have a lower MTOM with respect to the jet-fuelled counterparts but tend to be much longer due to the high tank dimensions. For these reasons sensitivity analyses are performed by changing the design point, range and payload mass, with the goal of finding an optimum in terms of dimensions and performances. Finally the Key Performance Indicators are evaluated in order to assess and compare the energy consumption with conventional aircraft.

Per raggiungere l'obiettivo di rendere l'aviazione a zero-impatto climatico entro il 2050 è necessaria l'introduzione di nuove alternative ai combustibili fossili. L'idrogeno liquido, grazie alla sua elevata energia specifica, rappresenta la fonte energetica più promettente per i velivoli a getto del futuro. Questa tesi descrive lo sviluppo di un'estensione del software HYPERION in grado di effettuare il dimensionamento preliminare di velivoli a getto convenzionali e propulsi da motori turboventola alimentati da idrogeno liquido per valutare i consumi energetici, le prestazioni e le capacità dei design innovativi. Inizialmente viene illustrato lo sviluppo e la validazione delle funzioni implementate per modellare l'aerodinamica, la propulsione e la stima dei pesi strutturali di velivoli CS25. Questa fase è seguita da un'estesa validazione di velivoli convenzionali appartenenti a differenti classi di peso. I primi dimensionamenti a idrogeno sono effettuati sostituendo l'attuale sistema propulsivo degli Airbus A320 e A350-900, rappresentativi delle classi di velivoli a corto-medio e lungo raggio, con i nuovi motori e aggiungendo il serbatoio criogenico, il cui ingombro rende necessaria una riduzione del numero di passeggeri. Sulla base delle prestazioni degli stessi velivoli è poi effettuato il dimensionamento da zero di due aerei alimentati a idrogeno, i quali risultano più leggeri ma allo stesso tempo più lunghi rispetto agli equivalenti a cherosene. Per questi motivi sono effettuate analisi parametriche modificando il punto di progetto, il range a la massa di carico pagante, con lo scopo di trovare un punto di ottimo in termini di dimensioni e prestazioni. Infine sono analizzati gli indicatori di prestazione per valutare i consumi energetici e confrontarli con i velivoli convenzionali.