Preliminary sizing of hydrogen-burning jetliner for direct operating cost optimization

The research objectives of this thesis are to conduct a comprehensive design study on the use of LH2 (liquid hydrogen) as a direct burning aviation fuel in passenger aircraft and to minimize direct operating costs associated with LH2 fuel usage. The main focus is on adapting the current tube and wing jetliner configuration to accommodate LH2 as a fuel source. The ultimate goal is to find optimal solutions for narrowbody and widebody aircraft that not only meet market demands but also significantly reduce their environmental impact. To achieve this, a design tool called HYPERION was used to analyze the sizing of LH2 burning passenger aircraft and model the associated costs. The goal was to find optimal solutions for narrowbody (NB) and widebody (WB) aircraft, while maintaining the conventional tube and wing configuration to avoid radical changes and new technology investments. The analysis involved varying the number of seats, design range, and wing parameters. Eventually according to the figure of merit parameters, the best solution were selected. Based on market studies and average aircraft utilization, a range of scenarios were examined for NB aircraft, including 180 number of passengers (PAX) to 220 PAX with a design range of 2,000 km to 6,000 km. For WB aircraft, scenarios ranged from 250 PAX to 400 PAX with a design range of 6,000 km to 15,000 km. In a systematic assessment, at the both classes, technology level, number of abreast, wing aspect ratio, wing sweep angle, wing relative thickness and cruise speed were optimized. To obtain the best solution, the analysis considered parameters such as maximum takeoff mass, fuel mass, and direct operating cost (DOC), which represents the cost per available seat per km and DOC per hour. The main message of the project is, through family planning, it is possible to meet market demands competitively with the kerosene-burning version of the aircraft. However, there are limitations in terms of range and passenger capacity. The LH2 mid-range narrowbody class (in the class of A321neo) and large widebody (in the class of A350-1000) LH2 burning passenger aircraft have constraints in terms of range and passenger capacity. Additionally, while fuel prices do affect operational assumptions, they have a negligible effect on the optimal solution. The best solutions found in this study are the basic variant of NB with a design range of 4,000 km and 200 passengers, and the basic variant of WB with a design range of 12,000 km and 350 passengers. These solutions not only cover the maximum market demand but also provide the possibility of family planning for shorter and longer derivatives. Additionally, these combinations are economically feasible for airliners to operate.

Gli obiettivi di ricerca di questa tesi sono analizzare l'impatto dell'utilizzo di LH2 come carburante di velivoli commerciali, minimizzandone i costi operativi diretti. L’idrogeno è introdotto a bordo di velivoli a corto e lungo raggio in configurazione tubo-ala, opportunamente modificata. L'obiettivo è trovare soluzioni ottimali per gli aeromobili narrowbody e widebody che soddisfino le esigenze del mercato riducendo al contempo l'impatto ambientale. Per raggiungere questo obiettivo, è stato utilizzato HYPERION, una metodologia di progetto preliminare di velivoli, che permette di dimensionare aerei che bruciano idrogeno per poi modellarne i costi associati. L'obiettivo era trovare soluzioni ottime in termini di costi operativi per gli aeromobili narrowbody (NB) e widebody (WB), mantenendo la configurazione tradizionale tubo e ala, per evitare cambiamenti radicali anche nella configurazione del velivolo. L'analisi è basata sulla variazione del numero di posti, il raggio d'azione e i parametri dell'ala. Alla fine, è stata selezionata la combinazione migliore in base alle cifre di merito introdotte. Sulla base degli studi di mercato e dell'utilizzo medio degli aeromobili, sono stati esaminati una serie di scenari per gli aeromobili NB, che portano da 180 PAX a 220 PAX con il raggio d'azione da 2,000 km a 6,000 km. Per gli aeromobili WB, i velivoli considerati portano da 250 PAX a 400 PAX, con un raggio d'azione tra 6,000 km e 15,000 km. In una valutazione sistematica, in entrambe le categorie, sono stati ottimizzati il livello tecnologico, il numero di posti a sedere, il rapporto di allungamento dell'ala, l'angolo di freccia dell'ala, lo spessore relativo dell'ala e la velocità di crociera. Per ottenere la soluzione migliore, l'analisi ha considerato parametri come la massa massima al decollo, la massa del carburante e il costo operativo diretto (DOC), che rappresenta il costo per posto disponibile per chilometro, e il DOC per ogni ora di volo. Il messaggio principale della tesi è che, attraverso un’analisi dei requisiti della missione di riferimento, è possibile soddisfare le richieste del mercato con velivoli alimentati ad idrogeno, in modo che siano compatitivi con i rispettivi velivoli a cherosene. Tuttavia, gli aeromobili passeggeri a idrogeno di classe narrowbody (simili all'A321neo) e widebody (nella classe dell'A350-1000) hanno vincoli in termini di raggio e capacità passeggeri. Inoltre, sebbene i prezzi del carburante influenzino le ipotesi operative, hanno un effetto trascurabile sulla soluzione ottimale. Le migliori soluzioni trovate in questo studio sono la variante di base di NB con una raggio di 4,000 km e 200 passeggeri, e la variante di base di WB con un raggiogu di 12,000 km e 350 passeggeri. Queste soluzioni non solo coprono la massima domanda di mercato, ma offrono anche la possibilità di sviluppare de lle famiglie di velivoli, garantendo agli operatori una certa versatilità. Inoltre, queste combinazioni sono economicamente sostenibili per le compagnie aeree.