A aeronave turbofan ZEROe tem dois tanques de LH2 (tanques de hidrogênio líquido) colocados na parte traseira. São dois tanques por razões de segurança. Um tanque pode começar a vazar ou perder seu vácuo isolante, o que significa perder hidrogênio à medida que ele ferve mais rápido do que o esperado. Também assumimos que a aeronave tem dois sistemas de combustível separados que alimentam os dois motores, mais uma vez por razões de segurança.
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| Airbus ZEROe com seus dois tanques de combustível LH2 colocados no cone da cauda |
A desvantagem do projeto é a variação do Centro de Gravidade (CG) durante o voo, já que o combustível consumido nos tanques colocados na parte traseira gradualmente torna o nariz da aeronave mais pesado.
Perda de eficiência devido à mudança do centro de gravidade
A Airbus forneceu dados para a aeronave na Figura 1. É uma aeronave lado a lado com um corredor único com cerca de 160 assentos em uma única classe de layout de alta densidade, logo abaixo da capacidade de passageiros do A320 e um alcance máximo de 2.000 nm.
A localização dos tanques na parte traseira da fuselagem em vez de nas caixas das asas, como acontece com os aviões comerciais de hoje, torna o projeto mais pesado na parte traseira. Em um nível estático, isso é corrigido colocando a asa mais para trás, de forma que a distância entre o centro de gravidade e o centro aerodinâmico da aeronave seja mantida, mantendo assim a estabilidade de inclinação positiva.
O problema é o movimento do CG durante o voo. Conforme o LH2 é consumido nos dois tanques, a parte traseira fica mais leve e a aeronave gradualmente fica mais pesada no nariz.
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| Um esboço do conceito de turbofan a hidrogênio Airbus ZEROe |
É preciso verificar até que ponto tal projeto cria problemas. Começa com a influência da mudança do CG na eficiência. Para isso, é preciso calcular o aumento do movimento nariz para baixo em torno do CG durante o voo.
No modelo de desempenho é dada a mudança de peso de LH2 nos tanques. Agora é preciso ver as distâncias. O tanque dianteiro está a 8m do CG e o tanque traseiro a 13m. Em seguida, rodamos o modelo para obter o consumo de hidrogênio na faixa máxima (2.000nm) e o voo típico de 800nm.
O consumo de LH2 na faixa máxima é de 3,3t com 0,8t de reservas. A mudança de 4,1 t de hidrogênio dividido entre os tanques para 0,8 t significa que o momento do nariz da aeronave para baixo aumenta em 340.000 Nm.
A Airbus pode programar o avanço para o tanque para levar o consumo principal de forma que a mudança do CG seja minimizada, mas deve sempre permanecer LH2 suficiente no tanque para que a aeronave possa pousar com segurança caso o tanque traseiro tenha problemas. Portanto, assumimos um consumo igual nos dois tanques para facilitar o cálculo.
Se dividirmos o aumento do momento do nariz para baixo com a distância entre o CG e o centro aerodinâmico do plano de cauda horizontal de 19m, obtemos uma força descendente adicional de cauda no final da missão de 17.900N/4.000lbf.
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| Forças que atuam em um avião comercial durante o voo |
Isso aumenta o arrasto induzido para o plano de cauda horizontal e também aumenta o arrasto induzido da asa, pois sua força de sustentação deve aumentar com a mesma quantidade. Nosso modelo de desempenho dá a perda de eficiência com essa mudança; é 1,4% para o alcance máximo da aeronave.
Para um voo típico de 800 nm, o consumo de hidrogênio é de 1.500 kg. Isso dá um aumento no momento do nariz para baixo de 154.500 Nm, o que aumenta a força descendente da cauda em 8.100 N/1.800 lbf. Nosso modelo de desempenho agora mostra uma perda de eficiência de 0,5%.
Podemos ver que os efeitos sobre a eficiência de ter um sistema de tanque LH2 montado na parte traseira em um avião doméstico com alcance máximo de 2.000 nm são marginais. O sistema de tanque montado na parte traseira funciona do ponto de vista da eficiência para esse tipo de aeronave.
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