Enhanced design methodologies for long-range hydrogen-burning jetliners

Global warming is one of the main problems faced by modern society. In order to achieve net-zero carbon aviation emissions by 2050, new alternatives to fossil-fuels are necessary. The use of hydrogen as an alternative energy source can eliminate CO2 emissions during flights and can reduce the climate impact of aviation; in particular liquid hydrogen, thanks to its high specific energy, is the most promising source to power the aircraft of the future. Despite these advantages, hydrogen presents unique challenges, including storage complexities due to its low energy density and cryogenic requirements. The primary objective of this work is to enhance the design methodology for long-range hydrogen-powered jetliners. The first part of this thesis focuses on improving modeling techniques for a more accurate estimation of engine mass and wetted area, which is essential for calculating CD0. These models are specifically designed for aircraft with MTOM > 200 000 kg. The second part addresses the sizing of cryogenic tanks for aviation applications. Both thermal and structural modeling aspects are presented. This is followed by an extensive analysis of the structural model, including sensitivity studies, comparisons with existing literature models, and validation through finite element analysis, assessing the model’s reliability. The study then explores the hydrogen retrofit of the Airbus A380, the largest commercial aircraft ever built, inspired by the sheer fuselage size that might make it an ideal case for hosting a large, highly weight-efficient hydrogen cryogenic tank. The resulting A380H configuration is then compared to an aircraft obtained through clean-sheet sizing. While this results in an interesting performance trade-off, since the clean-sheet aircraft is specifically designed for its mission rather than adapted from an existing airframe like the A380H, it demonstrates significantly superior performance. Looking for a possible design variation to improve efficiency, the feasibility of an A380H variant with reduced wing surface is analyzed, showing that such a modification would not be beneficial. Therefore, the thesis concludes with a case study on the transition of Emirates’ fleet, analyzing the integration of the retrofitted A380H into their network to assess its environmental impact.

Il riscaldamento globale è una delle principali sfide della società moderna. Per raggiungere emissioni nette di carbonio pari a zero nell’aviazione entro il 2050, sono necessarie alternative ai combustibili fossili. L’idrogeno può eliminare le emissioni di CO2 durante il volo e ridurre l’impatto climatico dell’aviazione; in particolare, l’idrogeno liquido, grazie alla sua elevata energia specifica, è la fonte più promettente per i velivoli del futuro. Tuttavia, presenta sfide uniche, tra cui complessità di stoccaggio dovute alla bassa densità energetica e ai requisiti criogenici. L’obiettivo di questo lavoro è migliorare la metodologia di progettazione per aeromobili a lungo raggio alimentati a idrogeno. La prima parte della tesi si concentra sul miglioramento delle tecniche di modellazione per una stima più accurata della massa del motore e della superficie bagnata, essenziale per il calcolo di CD0. Questi modelli sono pensati per aeromobili con MTOM superiore a 200 000 kg. La seconda parte affronta il dimensionamento dei serbatoi criogenici per applicazioni aeronautiche, trattando sia gli aspetti termici che strutturali. Segue un’analisi approfondita del modello strutturale, con studi di sensitività, confronti con modelli presenti in letteratura e validazione tramite analisi agli elementi finiti. Lo studio esplora poi il retrofit a idrogeno dell’Airbus A380, il più grande aeromobile commerciale mai costruito, sfruttando le dimensioni della fusoliera per ospitare un serbatoio criogenico altamente efficiente in termini di peso. La configurazione risultante, denominata A380H, viene quindi confrontata con un velivolo ottenuto attraverso una progettazione ex novo (clean-sheet sizing). Sebbene ciò comporti un interessante compromesso prestazionale, poiché l’aeromobile progettato ex novo è ottimizzato specificamente per la sua missione, mentre l’A380H è adattato da una cellula esistente, il primo dimostra prestazioni significativamente superiori. Alla ricerca di una possibile variazione progettuale per migliorare l’efficienza, viene analizzata la fattibilità di una variante dell’A380H con una superficie alare ridotta, dimostrando che tale modifica non sarebbe vantaggiosa. La tesi si conclude con un caso studio sulla transizione della flotta di Emirates, valutando l’integrazione dell’A380H e il suo impatto ambientale.