Investigación de diseño de un posible avión de fuselaje en ala con combustión de hidrógeno a larga distancia con tecnologías futuras
Autores: Karpuk, Stanislav; Ma, Yiyuan; Elham, Ali
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Investigación de diseño de un posible avión de fuselaje en ala con combustión de hidrógeno a larga distancia con tecnologías futuras
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Hidrógeno
Motores de combustión
Tecnologías
Configuración
Emisiones
Aeronaves
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 26
Citaciones: Sin citaciones
El trabajo presente investiga el potencial de una configuración de fuselaje de ala mixta comercial de largo alcance impulsada por motores de combustión de hidrógeno con tecnologías futuras de estructura y propulsión. Las tecnologías futuras incluyen materiales avanzados, técnicas de alivio de carga, ingestión de capa límite y motores de relación de derivación ultra alta. La configuración de combustión de hidrógeno se comparó con la configuración impulsada por queroseno en relación con propiedades geométricas, características de rendimiento, demanda de energía, emisiones equivalentes de CO y costos operativos directos. Además, se realizaron estudios de sensibilidad tecnológica para evaluar la posible influencia de cada tecnología en la configuración. Se creó una metodología de dimensionamiento de multi-fidelidad utilizando métodos de baja y media fidelidad para un dimensionamiento rápido de la configuración y realizar análisis robustos y optimizaciones multidisciplinarias. Para evaluar las posibles incertidumbres de la fidelidad de las herramientas de análisis aerodinámico, se utilizó el marco de análisis y optimización aerodinámica de alta fidelidad MACH-Aero para una verificación adicional. La comparación de aeronaves de ala mixta de hidrógeno y queroseno mostró una reducción potencial de las emisiones equivalentes de CO del 15% y 81% para hidrógeno azul y verde en comparación con el fuselaje de ala mixta de queroseno y del 44% y 88% con respecto a una aeronave convencional B777-300ER. Los avances en tecnologías futuras también afectan significativamente el diseño geométrico de las aeronaves. La ingestión de capa límite y los motores de relación de derivación ultra alta demostraron el mayor potencial de reducción de combustible, aunque ambas tecnologías entran en conflicto entre sí. Sin embargo, los costos operativos de las aeronaves de hidrógeno podrían establecer un problema significativo si se alcanzan escenarios pesimistas y base de precios de hidrógeno para el hidrógeno azul y verde, respectivamente. Finalmente, los problemas de configuración característicos de las aeronaves de ala mixta clásicas se amplifican en el caso del hidrógeno debido a los significativos requisitos de volumen para almacenar combustible de hidrógeno.
Descripción
El trabajo presente investiga el potencial de una configuración de fuselaje de ala mixta comercial de largo alcance impulsada por motores de combustión de hidrógeno con tecnologías futuras de estructura y propulsión. Las tecnologías futuras incluyen materiales avanzados, técnicas de alivio de carga, ingestión de capa límite y motores de relación de derivación ultra alta. La configuración de combustión de hidrógeno se comparó con la configuración impulsada por queroseno en relación con propiedades geométricas, características de rendimiento, demanda de energía, emisiones equivalentes de CO y costos operativos directos. Además, se realizaron estudios de sensibilidad tecnológica para evaluar la posible influencia de cada tecnología en la configuración. Se creó una metodología de dimensionamiento de multi-fidelidad utilizando métodos de baja y media fidelidad para un dimensionamiento rápido de la configuración y realizar análisis robustos y optimizaciones multidisciplinarias. Para evaluar las posibles incertidumbres de la fidelidad de las herramientas de análisis aerodinámico, se utilizó el marco de análisis y optimización aerodinámica de alta fidelidad MACH-Aero para una verificación adicional. La comparación de aeronaves de ala mixta de hidrógeno y queroseno mostró una reducción potencial de las emisiones equivalentes de CO del 15% y 81% para hidrógeno azul y verde en comparación con el fuselaje de ala mixta de queroseno y del 44% y 88% con respecto a una aeronave convencional B777-300ER. Los avances en tecnologías futuras también afectan significativamente el diseño geométrico de las aeronaves. La ingestión de capa límite y los motores de relación de derivación ultra alta demostraron el mayor potencial de reducción de combustible, aunque ambas tecnologías entran en conflicto entre sí. Sin embargo, los costos operativos de las aeronaves de hidrógeno podrían establecer un problema significativo si se alcanzan escenarios pesimistas y base de precios de hidrógeno para el hidrógeno azul y verde, respectivamente. Finalmente, los problemas de configuración característicos de las aeronaves de ala mixta clásicas se amplifican en el caso del hidrógeno debido a los significativos requisitos de volumen para almacenar combustible de hidrógeno.