Liquid hydrogen-powered aircraft: turbofan engine simulation and vaporization system design

The critical role of global civil aviation in the world economy, alongside its substantial impact on carbon emissions, emphasizes the urgent need for innovative solutions aligned with environmental sustainability goals. The use of hydrogen fuel in commercial aero-engines represents a promising opportunity to achieve carbon-neutral flight while potentially enhancing the performance of established propulsion technologies. As part of the European EFACA (Environmentally Friendly Aviation for All Classes of Aircraft) project, this research provides a comprehensive analysis of a liquid hydrogen propulsion system. The study involves simulating a commercial turbofan engine using proprietary software from Politecnico di Milano, supplemented by commercial tools to ensure high accuracy. Software adaptations were developed to enable precise evaluations of the engine performance. Additionally, the design and simulation of unconventional system configurations that harness the cooling properties of liquid hydrogen to enhance aero-engine performance were developed. The transition from conventional jet fuel to hydrogen resulted in a 2.1% improvement in thrust-specific energy consumption. Subsequently, a detailed analysis and design of a liquid hydrogen vaporization system onboard the aircraft was conducted, evaluating various possible configurations. The findings indicate promising future pathways for hydrogen-powered commercial propulsion systems and underscore the need for further research into the challenges associated with hydrogen vaporization, storage, combustion, and production; factors that currently limit the techno-economic viability of hydrogen as an aviation fuel. This research contributes to the ongoing pursuit of sustainable aviation solutions, supporting the industry’s transition toward carbon neutrality.

Il ruolo cruciale dell'aviazione civile globale nell'economia mondiale, ed il suo significativo impatto sulle emissioni di CO2, sottolinea l'urgenza di soluzioni innovative allineate agli obiettivi di sostenibilità ambientale. L'utilizzo dell'idrogeno come combustibile nei motori aeronautici commerciali, offre un'interessante opportunità per realizzare voli a zero emissioni di CO2, migliorando potenzialmente le prestazioni di tecnologie di propulsione consolidate. Nell'ambito del progetto europeo EFACA (Environmentally Friendly Aviation for All Classes of Aircraft), questa ricerca presenta un'analisi approfondita di un sistema di propulsione ad idrogeno liquido. Lo studio comprende la simulazione di un motore turbofan commerciale effettuata attraverso un utilizzo combinato di un software sviluppato dal Politecnico di Milano, e di un programma commerciale, garantendo un'elevata accuratezza delle simulazioni. Modifiche al software sono state sviluppate per consentire valutazioni precise delle prestazioni del motore. Sono inoltre state progettate e simulate configurazioni non convenzionali del motore aeronautico, che sfruttano le proprietà di raffreddamento dell'idrogeno liquido per migliorare le prestazioni del motore. Con il passaggio dal carburante convenzionale all'idrogeno, è stato ottenuto un miglioramento del 2.1% nel consumo specifico di energia relativo alla spinta. Successivamente, è stato analizzato e progettato un sistema per la vaporizzazione dell'idrogeno liquido a bordo dell'aeromobile, valutando diverse configurazioni possibili. I risultati indicano promettenti sviluppi per l'utilizzo dell'idrogeno in sistemi commerciali di propulsione, sottolineando però la necessità di ulteriori ricerche sulle sfide legate alla vaporizzazione, allo stoccaggio, alla combustione e alla produzione dell'idrogeno, fattori che attualmente limitano la fattibilità tecnico-economica dell'utilizzo dell'idrogeno come combustibile per l'aviazione. Questo studio contribuisce alla continua ricerca di soluzioni per un'aviazione sostenibile, supportando la transizione dell'industria verso la neutralità carbonica.