Preliminary design of hydrogen-burning jetliners with studies on varying fuselage cross-sections

Global warming is one of the main problems faced by modern society. Human emissions of carbon dioxide and other greenhouse gases are the primary drivers of the global temperature increase. Aviation, which currently relies on fossil fuels, contributes for 3.5% to climate warming caused by human activities and is expected to grow further. The use of hydrogen as an alternative energy source can eliminate CO2 emissions during flights and can reduce the climate impact of aviation by 50-75% through hydrogen combustion and 75-90% with fuel-cell propulsion. Despite these advantages, hydrogen presents unique challenges, including storage complexities due to its low energy density and cryogenic requirements. The main objective of this thesis is to investigate methods to mitigate hydrogen storage impacts on jet aircraft weight and aerodynamics, focusing on a configuration with a hydrogen tank positioned in the rear fuselage. The goal is to explore the use of elliptical cross-section fuselages and tanks to reduce the wetted area while maintaining the same volume, potentially reducing weight and aerodynamic drag. For the preliminary design of hydrogen-burning jet aircraft, the TITAN software developed by Politecnico di Milano has been utilized. The first step of this thesis is to adapt TITAN for both conventional and hydrogen-burning aircraft, validating it through existing models such as the Airbus A320ceo and Airbus A350-900, which are representative of short-medium and long range aircraft, respectively. The second step involves the design of two existing aircraft converted to hydrogen-powered planes through the addition of a cylindrical tank with a circular cross-section at the rear of the fuselage. Lastly, the thesis includes the design of aircraft with fuselage of elliptical cross-section that meet the same requirements as the reference aircraft. This modification results in a reduction of the Maximum Take-Off Mass for long-range aircraft compared to the circular fuselage configuration. However, for short-medium range aircraft, no improvements are observed.

Il riscaldamento globale è uno dei problemi più grandi che la società moderna deve affrontare. Le emissioni di anidride carbonica e altri gas serra causate dall'uomo sono le principali responsabili dell'aumento della temperatura globale. L'aviazione contribuisce per il 3.5% al riscaldamento climatico causato dalle attività umane ed è destinata a crescere ulteriormente. L'uso dell'idrogeno come fonte di energia alternativa può ridurre le emissioni di CO2 durante i voli sia attraverso la combustione dell'idrogeno che con la propulsione a celle a combustibile. Nonostante questi vantaggi, l'idrogeno presenta sfide uniche, tra cui la complessità di immagazzinamento, dovute alla sua bassa densità energetica e ai requisiti criogenici. L'obiettivo principale di questa tesi è analizzare soluzioni per ridurre l'impatto dei serbatoi dell'idrogeno sulla massa e sull'aerodinamica dei velivoli a getto, concentrandosi su una configurazione con un serbatoio di idrogeno posizionato nella parte posteriore della fusoliera. Lo scopo è studiare se l'utilizzo di fusoliera e serbatoi a sezione ellittica possono portare a una riduzione della sua superficie bagnata per ottenere una diminuzione della massa e della resistenza aerodinamica. Per il progetto preliminare dei velivoli, è stato utilizzato il software TITAN, sviluppato dal Politecnico di Milano. La prima fase di questa tesi consiste nell'adattare TITAN allo studio di turbofan convenzionali e a idrogeno, validandolo rispetto ai modelli esistenti come gli Airbus A320ceo e A350-900, rappresentativi rispettivamente degli aerei a corto-medio raggio e a lungo raggio. Il secondo passo prevede la progettazione di due aerei esistenti convertiti in aerei a idrogeno attraverso l'aggiunta di un serbatoio cilindrico a sezione circolare nella parte posteriore della fusoliera. Infine, la tesi include il dimensionamento di velivoli con fusoliera a sezione ellittica a partire dagli stessi requisiti dei velivoli di riferimento. Questa modifica per gli aerei a lungo raggio porta a una riduzione del MTOM rispetto alla configurazione con fusoliera a sezione circolare. Tuttavia, per gli aerei a corto-medio raggio, non si osservano miglioramenti.