Quando gli aerei volano dentro le nuvole, volano secondo le "regole strumentali". Non importa se la visibilità è ridotta (di notte) o totalmente bloccata (in una nuvola spessa), questa modalità di volo presuppone semplicemente che l'equipaggio non abbia alcun riferimento visivo esterno, vola esclusivamente utilizzando le indicazioni fornite dagli strumenti di bordo.

Il seguente breve video mostra una situazione che si incontra spesso, l'equipaggio non vede nulla all'esterno prima di essere così vicino al suolo, sono quasi atterrati.

^{Atterraggio senza visibilità, fonte: YouTube.}

Dopo aver risolto il problema della sostituzione dei riferimenti esterni, il Il prossimo problema più importante è stare lontano dagli altri aerei in sicurezza. Per evitare collisioni, i piloti sono supportati dal controllo del traffico aereo (ATC) da terra. L'ATC determina la posizione e l'altitudine dell'aeromobile facendo affidamento su un transponder a bordo. L'ATC fornisce informazioni e istruzioni appropriate per i piloti al fine di mantenere gli aeromobili separati.

Se l'ATC non riesce a separare gli aeromobili, gli aerei commerciali sono dotati di una rete di sicurezza: in ultima istanza, gli aerei vicini, dotati di transponder, vengono rilevati ed evitati da un sistema di prevenzione delle collisioni a bordo. Sebbene questo sistema sia efficiente quando sono coinvolti solo 2 o 3 aeromobili, la manovra di fuga deve essere eseguita rapidamente e può quindi essere abbastanza acuta da far ferire un passeggero non allacciato. Questo non funziona se l'altro velivolo non è dotato di un transponder, ma tutti gli aerei commerciali trasportano tali apparecchiature per regolamento.

Tutti i grandi aerei di linea che conosciamo volano secondo le regole dello strumento, indipendentemente dal tempo, o l'ora del giorno.

(Per ragioni di completezza, un tipo speciale di volo visivo, VFR Over The Top, può essere consentito sopra lo strato di nuvole, durante la parte superiore del volo, dove si possono vedere l'orizzonte e altri velivoli.)

1. Aspetti tecnici del volo strumentale

È tecnicamente possibile volare all'interno di nuvole, nebbia, neve, di notte, ecc., ma questo tipo di volo è regolamentato, richiede elementi tecnici sia in aereo che a terra e addestramento aggiuntivo obbligatorio per il pilota.

Il buon senso e la regolamentazione richiedono che il pilota sia in grado, in qualsiasi momento, di:

• Mantenere un atteggiamento sicuro dell'aeromobile (conservazione delle condizioni di volo),
• Evita gli ostacoli e altri aeromobili (prevenzione delle collisioni),
• Trova la strada per un aeroporto di atterraggio (navigazione).
• Sapere dove si trovano (rilevamento della posizione),

Volare senza visibilità significa fondamentalmente sapere come svolgere queste attività senza guardare fuori dall'abitacolo.

Mantieni un atteggiamento sicuro

Uno dei principali riferimenti di cui un pilota ha bisogno è l'orizzonte. Quando l'orizzonte è invisibile, Un orizzonte artificiale riproduce il piano orizzontale utilizzando un giroscopio. Questo strumento indica se l'aereo è inclinato o rollato.

Per quanto riguarda l'altitudine e la velocità, gli stessi strumenti sono utilizzati sia per il volo visivo che per quello strumentale: altimetro barometrico e indicatore di velocità relativa.

^{Strumenti principali, presentazione tradizionale. Fonte: Aircraft Spruce}

Immagine sopra (da sinistra a destra, dall'alto in basso):

• velocità, assetto (orizzonte artificiale), altitudine,
• indicatore di svolta, direzione, velocità verticale

^{Stessi strumenti sul display di volo principale elettronico di un A330. Fonte}

Essere consapevoli dell'assetto del velivolo senza indizi visivi esterni non è naturale e più difficile del solito. C'era un famoso studio ( esperimento di virata di 180 gradi , Bryan, Stonecipher, Aron) nel 1954 che mostrava che un pilota non addestrato a volare con strumenti perdeva il controllo dell'aereo in In media 3 minuti se si perdono i riferimenti esterni.

Prevenzione delle collisioni

Come accennato, un servizio di prevenzione delle collisioni è fornito via radio da terra. Un aereo in volo senza visibilità è separato dai controllori di volo (ATC) da tutti gli altri aeromobili. Il tipo esatto di separazione fornito varia a seconda della categoria dello spazio aereo, in particolare quando manca la copertura radar, ad es. quando si vola sopra gli oceani. Per i paesi dell'UE, vedere la Classificazione dello spazio aereo su SKYbrary.

L'ATC civile determina la posizione e l'altitudine dell'aeromobile interrogando un transponder a bordo dell'aeromobile, dalla terra. Se il transponder dell'aereo non è cooperativo, l'ATC potrebbe avere accesso a un radar primario ed eseguire la tradizionale misurazione dell'eco, che è meno accurata. Le stazioni radar principali sono generalmente gestite da militari.

^{Sala ATC tipica, fonte: Impara a volare qui}

• Vedi anche Cos'è un TRACON? per una descrizione completa delle sale di controllo negli Stati Uniti.

L'ATC è sicuramente un difficile quadridimensionale attività svolta utilizzando schermi 2D. Si commettono errori, il più delle volte vengono risolti nel tempo. Nella foto sotto, VRG231 sta scendendo da FL370 mentre il DCA337 di fronte e in salita è attraverso FL262. L'ATC valuta che attraverseranno in sicurezza, ma trascura l'XCM3018 più vicino che si avvicina da destra a FL360 (maggiori dettagli su SKYbrary).

^{Perdita delle condizioni di separazione in atto: VRG231 è discendente. ATC prende in considerazione DCA337, ma trascura XCM3018, fonte}

È possibile utilizzare apparecchiature aggiuntive a bordo per l'effettivo rilevamento degli aerei nelle vicinanze. Tale sistema di prevenzione delle collisioni, noto come ( TCAS o ACAS), rileva gli aeromobili dotati di transponder, in genere solo entro un raggio di pochi minuti utilizzando una tecnica simile all'interrogazione ATC. Inoltre, TCAS può fornire ai piloti avvisi coordinati per la risoluzione dei conflitti, per aumentare la separazione e prevenire le collisioni.

^{B737 TCAS (posizioni TA / RA sul pannello transponder). Fonte}

Dopo i primi due compiti dell'equipaggio (velivoli rischi di volo e di collisione sotto controllo), è il momento di vedere come l'equipaggio può raggiungere la destinazione.

I radioassistenza alla navigazione sono posizionati in punti importanti a terra e gli strumenti di bordo vengono utilizzati per trarne vantaggio di loro. Oggi includono VOR (determinazione del rilevamento relativo) e DME (determinazione della distanza) per la navigazione verso, da e tra gli aeroporti. Gli NDB sono ancora utilizzati, ma la loro disattivazione è iniziata in tutto il mondo, vengono utilizzati come VOR a lunga distanza e non di precisione.

Estratto dalla documentazione dell ' aeroporto di Nizza (LFMN, Francia) per le partenze della pista 04. Notare come VOR (cerchiato in verde) e NDB (magenta) vengono utilizzati come waypoint. Notare anche come NIZ VOR-DME viene utilizzato come riferimento per rilevamento relativo e distanza (stelle verdi).

^Fonte

Gli aiuti alla radio spaziale, vale a dire GNSS (GPS USA, EU Galileo, Glonass russo ...) stanno integrando o sostituendo gli aiuti a terra per le operazioni (terra gli ausili sono ancora utilizzati e richiesti dal regolamento). Ad esempio, le stesse partenze da Nizza utilizzando Precision Area Navigation (P-RNAV) sfruttando GNSS, ausili inerziali e da terra per ottenere una posizione combinata precisa:

^{I waypoint non si riferiscono ad alcun aiuto a terra ma sono definiti dalle loro coordinate nel database del sistema di gestione del volo. Stessa fonte}

Un atterraggio manuale o automatico può essere condotto con la guida di un ILS (sistema di atterraggio strumentale), che è un faro radio utilizzabile per seguire la giusta direzione e la giusta pendenza:

^{Principio ILS (indizi magenta visualizzati sul pannello pilota)}

Come avrai notato, contrariamente a una credenza persistente, i piloti non si affidano all'ATC per la navigazione (l'eccezione sarebbe quando un pilota ha perso tutti i riferimenti strumentali. L'ATC può solitamente essere in grado di fornire una posizione se il transponder è ancora operativo).

Nello spazio aereo del terminal trafficato, tipicamente intorno ai grandi aeroporti, il ruolo dell'ATC è esteso. In primo luogo, essendo il rischio di collisione grandi e gli aeroporti in aree densamente popolate, gli aeromobili devono seguire percorsi più limitati, gli operatori ATC monitorano costantemente questi percorsi e richiedono correzioni ai piloti quando necessario. In secondo luogo, le piste sono risorse scarse, gli aeromobili in arrivo (e gli aeromobili in partenza in una certa misura) devono essere sequenziati (ad esempio regolando la loro velocità) in code di atterraggio ordinate e dense.

Consapevolezza della posizione

La posizione orizzontale corrente è stata determinata per molto tempo utilizzando VOR e DME e la geometria: equazioni angolo-angolo (anche noto come triangolazione) o angolo-distanza.

Gli aerei più grandi hanno anche utilizzato piattaforme inerziali che sono in grado di fornire non solo la posizione corrente, ma anche la direzione, la velocità al suolo e, soprattutto, l'accelerazione, la velocità di rotazione e l'assetto (da cui è possibile ottenere l'angolo di incidenza).

Oggi, queste tecnologie sono integrate dal GNSS che è in grado di fornire la posizione e l'altitudine attuali.

Le piattaforme inerziali sono ancora utilizzate per la loro completa indipendenza da qualsiasi risorsa esterna, e per la loro precisione che è migliore del GNSS in tempi brevi. Il loro grande svantaggio è che si spostano continuamente e devono essere ripristinati a intervalli (ad esempio utilizzando i dati GNSS). Per sfruttare tutto ciò che è disponibile, le fonti vengono spesso mescolate per fornire valori ponderati e controlli incrociati (aggiungere a questi sensori d'aria che forniscono dati di altitudine e velocità relativa).

^{B737 Pagina del computer di gestione della lotta che mostra la posizione corrente in base a diversi sensori. Fonte}

Gli aeromobili sono inoltre dotati di rilevamento a terra, per aiutare a prevenire il cosiddetto "CFIT", volo controllato nel terreno. Questo sensore si basa sul radar di bordo e sulle mappe memorizzate e visualizza gli ostacoli a terra intorno. Viene utilizzato per il monitoraggio orizzontale (collina, montagna) e verticale (prossimità al suolo durante l'atterraggio). Tali sistemi sono noti come EGPWS, sistema avanzato di avviso di prossimità al suolo.. Mettono in guardia i piloti da forti avvisi, ad es. "Terrain! Terrain, pull up!".

^{Visualizzazione VSD / EGPWS su aeromobili Boeing, fonte}

2. Punto di vista della regolazione

Le condizioni di visibilità sono determinate sia visiva (buona visibilità) o strumentale (visibilità insufficiente) e ci sono due serie di regole durante il volo (visiva e strumentale). Volare in condizioni strumentali richiede per regolamento di eseguire il volo secondo le regole strumentali.

Volare con riferimento ai soli strumenti, richiede:

• Il pilota ha ricevuto l'addestramento appropriato,
• L'attrezzatura specifica è disponibile sull'aereo e a terra,
• ATC è fornito da terra.

VMC vs . IMC

Esiste una serie di condizioni minime per dichiarare che l'ambiente esterno è visibile: queste condizioni sono note come Condizioni meteorologiche visive (VMC).

Quando le VMC non vengono raggiunte, si dice che le condizioni siano IMC, per le Condizioni meteorologiche dello strumento.

I criteri VMC dipendono dai paesi e dallo spazio aereo, sebbene l'ICAO fornisca raccomandazioni internazionali, ad es. in Francia, in generale:

• Visibilità orizzontale minima 5 km (8 km sopra FL100).
• Distanza minima dalle nuvole: 1,5 km in orizzontale, 1.000 piedi in verticale.

VFR vs. IFR

Qualsiasi volo deve essere effettuato secondo uno dei due gruppi di regole esistenti:

• Regole del volo visivo (VFR)
• Regole del volo strumentale (IFR).

Le regole da seguire sono dettate dal regolamento e dipendono direttamente dalle condizioni meteorologiche.

In VMC:

• È consentito un volo VFR.
• Un pilota può scegliere di volare IFR, a suo piacimento.

In IMC:

• Un volo IFR è obbligatorio.
• Il pilota deve essere qualificato per eseguire IFR.
• L'aereo deve essere certificato per IFR.

Correlati:

• disorientamento spaziale che può portare a volare sottosopra senza saperlo. Formazione correlata.

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I piloti che volano consapevolmente sulle nuvole saranno soggetti all'IFR (regole del volo strumentale) e avranno contatti con il controllo del traffico per tenersi lontani dagli altri aerei. Se si finisce accidentalmente in una nuvola la procedura standard è quella di ruotare di 180 ° mantenendo la stessa altezza e continuare fino a quando non si esce dalla nuvola (o si trasferisce in IFR).

Un pilota in una nuvola non lo fa Non fare affidamento su ciò che vede fuori e guarda invece i suoi strumenti.

fonte wikipedia

Sono in ordine: visualizzazione della velocità relativa, orizzonte artificiale, visualizzazione dell'altitudine, coordinatore di virata, direzione (bussola) e velocità verticale.

Esiste un altro layout per queste informazioni:

Con lo stesso layout, velocità a sinistra, orizzonte al centro, altitudine a destra e direzione in basso.

Un pilota non ha una visione più chiara attraverso una nuvola di quanto tu guardi fuori dalla finestra allo stesso tempo. Tuttavia, il volo può procedere in sicurezza con una combinazione di strumenti e strutture a disposizione di un controllore del traffico aereo.

Affinché un pilota possa entrare in una nuvola, deve volare secondo le regole del volo strumentale , che tra le altre cose significa che un controllore del traffico aereo è responsabile della separazione da altri aeromobili (in contrasto con le Regole di volo a vista in cui il pilota stesso è responsabile della visione ed evitamento di altri aeromobili).

Inoltre, i piloti hanno strumenti, come un orizzonte artificiale, che consente loro di mantenere qualsiasi salita / discesa e svolta richiesta senza vedere un orizzonte reale: il modo principale in cui un pilota di solito può dire se stanno salendo, scendendo o girando.

Queste sono alcune risposte molto ben scritte e complete. Vorrei anche offrire la mia prospettiva e il mio contesto in materia. Un moderno velivolo IFR avrà 2 set di strumenti di volo: (1) primario e (2) secondario, e questi sono significativamente diversi. Questo è un punto importante da non trascurare. È enfatizzato nella formazione. Siamo molto fortunati con la tecnologia odierna, e non è sempre stato così.

Come pilota della Marina degli Stati Uniti abbiamo trascorso ore nei simulatori praticando procedure IFR, gestendo le emergenze. Voglio sottolineare che questi voli sono stati progettati per aiutarci a concentrarci su 2 aspetti importanti: (1) il volo nelle nuvole o altre condizioni di scarsa visibilità, mentre (2) la gestione con successo delle emergenze in questo ambiente difficile. Ci sono un paio di altri punti più fini che vorrei sottolineare.

Potremmo non pensarci, ma si può volare in VFR senza orizzonte, e in questo caso un pilota sta facendo un po 'di entrambe le cose. Ho passato molto tempo sorvolando il Mediterraneo. Soprattutto durante i mesi estivi, dove la foschia e il mare si fondevano facendo scomparire l'orizzonte. Ricordo che questo era particolarmente vero sopra i 5.000 piedi AGL. Durante questi mesi, anche una notte stellata potrebbe diventare disorientante. Le luci delle navi sull'acqua potevano apparire come stelle al pilota, che poi alterava il punto in cui l'orizzonte era nella loro mente.

Anche con i nostri moderni sistemi di navigazione il volo IFR può essere molto difficile, anche per qualcuno con molta esperienza. In una di queste notti mediterranee descritte sopra, l'inizio della sezione si è disorientato e ha iniziato una lenta spirale discendente. Può richiedere molta disciplina per credere in quello che ti dicono i tuoi strumenti, quando il tuo corpo ti sta urlando qualcos'altro. A volte il corpo vince. Anche con il suo gregario che lo spingeva a livellare le ali, il pilota è finito per volare in mare.

I simulatori ci hanno aiutato a esercitarci a fare affidamento sugli strumenti e allo stesso tempo ad affrontare le distrazioni di varie emergenze in cabina di pilotaggio. Il miglior simulatore che ho avuto è stato ben pianificato ed eseguito dal Mago di Oz. Stava eseguendo i controlli del simulatore. È iniziato con un leggero sfarfallio dell'indicatore dell'olio all'avvio, si è verificato un deterioramento del tempo atmosferico, con più problemi al motore e un guasto elettrico parziale. Alla fine, mi sono ridotto a usare strumenti a pressione.

Il sistema di navigazione con cui ho volato si chiamava Inertial Navigation Systems (INS) e riceveva il suo input da giroscopi che mantenevano l'orientamento dell'asse dal loro movimento rotatorio. L'indicatore di assetto primario era molto reattivo, senza alcun ritardo percettibile tra i cambiamenti nella traiettoria di volo e la risposta dell'INS. Con un buon indicatore di assetto primario e altri strumenti non sensibili alla pressione, ad es. radar altimetro, è relativamente facile mantenere il volo controllato. Se l'INS dovesse fallire, sarebbe stato tutto un altro gioco da ragazzi.

Con un fallimento dell'INS, rimanevamo con gli strumenti secondari. Questo cluster era composto da un piccolo indicatore di assetto in standby e dai seguenti strumenti di pressione: altimetro, indicatore di velocità verticale (VSI) e indicatore di velocità relativa. Infine, c'erano l'ago e la bussola di riserva. Volare su strumenti a pressione in condizioni IFR è molto impegnativo a causa del notevole ritardo tra ciò che gli strumenti stanno visualizzando e l'effettiva traiettoria di volo dell'aereo. Il VSI era il più sensibile e l'indicatore di altitudine era il meno sensibile. Ci si potrebbe facilmente ritrovare a "inseguire" i propri aghi in una lotta per controllare il feedback negativo.

Quindi ci sono strumenti di volo primari e strumenti di volo secondari. Con l'elevata affidabilità dei sistemi avionici odierni, fortunatamente non dobbiamo dedicare molto tempo agli strumenti secondari.

Al centro degli strumenti c'è il grande indicatore di assetto primario nell'indicatore e sotto di esso la bussola. La bussola di standby è difficile da vedere, ma si trova appena sopra lo schermo antiriflesso sul lato destro. A circa 7-8 in punto direttamente a sinistra dell'indicatore di assetto principale si trova l'indicatore di assetto di riserva. Sopra c'è l'indicatore mach / velocità, l'altimetro della pressione e in alto l'altimetro radar. Appena a sinistra di quegli strumenti, e leggermente più piccoli, puoi distinguere dall'alto verso il basso l'indicatore dell'angolo di attacco, il VSI e l'accelerometro.

E così mi sono ritrovato in un Ground Controlled Avvicinati al mio campo da bingo, su strumenti di volo secondari, con un motore vacillante, al minimo. A circa 800 piedi il Mago di Oz ordinò una spia antincendio, seguita poco dopo da un guasto catastrofico al motore. Non sono arrivato alla maniglia di espulsione abbastanza velocemente.

All'epoca avevo un vicino che era stato un pilota nella prima guerra mondiale. Eravamo seduti e gli parlavo del volo al simulatore, lamentandosi scherzosamente di come uno a uno avesse fallito gli strumenti su di me, quando mi fermò con la sua risata e disse: "Figlio, quando ci siamo trovati in una nuvola abbiamo volato con una mano tenendo delicatamente una matita davanti al nostro viso nell'abitacolo aperto e l'altra mano che tiene il bastone. "

Nei resoconti dell'aviazione della prima guerra mondiale, a volte leggiamo di piloti che operano nelle nuvole per lunghi periodi. Mette a dura prova la credulità pensare che ciò fosse effettivamente possibile con la strumentazione primitiva dell'epoca.

È molto difficile mantenere il controllo di un aeroplano o di un aliante in una nuvola senza almeno uno strumento giroscopico che dia un'indicazione se l'aereo è a livello delle ali o inclinato. Tieni presente che perdere il controllo è più di un semplice problema di navigazione: è molto facile sovraccaricare un aereo e farlo rompere entrando accidentalmente in una virata ripida o tuffandosi in una nuvola.

Sebbene la maggior parte degli aeroplani moderni abbia uno strumento di orizzonte artificiale (indicatore di assetto), è possibile mantenere il controllo di un velivolo nella nuvola utilizzando un indicatore di velocità di virata e nessun altro strumento giroscopico. In termini moderni, questo è chiamato volo "pannello parziale".

Il primo indicatore di velocità di virata giroscopico è stato creato nel 1917. Charles Lindbergh ha volato con il suo aereo Ryan NYP "Spirit of St. Louis" attraverso l'Oceano Atlantico nel 1927, ed è stato nelle nuvole per lunghi periodi, con una virata indicatore di velocità come suo unico strumento giroscopico. Il Ryan NYP aveva anche una " bussola induttore di terra", che fornisce prestazioni superiori in volo a una bussola magnetica standard. Jimmy Doolittle è stato uno dei pionieri del volo alla cieca, ha realizzato il primo volo completamente cieco dal decollo all'atterraggio nel 1929.

I piloti di alianti hanno spesso volato tra le nuvole per lunghi periodi utilizzando un indicatore di velocità di virata come unico strumento giroscopico. Esistono alcune bussole magnetiche specializzate progettate per il volo con nuvole a pannello parziale su alianti che hanno una ridotta suscettibilità ai ben noti errori di cui soffrono le bussole magnetiche più convenzionali durante il volo in virata. La più esotica di queste è la bussola Bohli, il cui ago è progettato per esistere in pieno allineamento tridimensionale con il campo magnetico terrestre, in modo che gli errori di virata siano quasi completamente eliminati mentre l'aliante e l'alloggiamento della bussola ruotano liberamente attorno all'ago. La bussola Bohli è progettato per fornire le stesse informazioni di un orizzonte (indicatore di assetto) artificiale, anche se in un modo che è molto meno intuitivo da interpretare. Inoltre, la mancanza di errori di virata consente al pilota di utilizzare le informazioni sulla direzione della bussola per regolare sistematicamente i suoi cerchi termici per centrare la parte migliore dell'ascensore mentre gira in una nuvola.

link a PDF di "Air force" articolo di giornale sul volo pionieristico cieca di Doolittle nel 1929

link a PDF per manuali per Bohli bussola

Immagine della bussola Bohli:

Come accennato da altri poster che volano dentro e attraverso le nuvole sono considerate condizioni meteorologiche strumentali (IMC), cioè dove il volo viene effettuato esclusivamente in riferimento agli strumenti. Il volo deve essere condotto in conformità con le regole del volo strumentale (IFR). Nello spazio aereo controllato, ciò richiede la presentazione di un piano di volo IFR e la ricezione di un'autorizzazione per farlo volare dal Controllo del traffico aereo (ATC). Durante il volo su un piano di volo IFR, rimarrai in costante contatto radio con le strutture ATC mentre sei in volo in uno spazio aereo controllato per la separazione del traffico.

Le nuvole di per sé non sono pericolose da attraversare ma possono contenere condizioni meteorologiche pericolose all'interno loro come temporali incorporati / cumulonembo, formazione di ghiaccio e turbolenza. A volte le forme esterne delle nuvole come i cumulonembi torreggianti indicano temporali davanti o l'altocumulo lenticolare possono indicare una grave turbolenza dentro o vicino. È richiesto dalla legge che un pilota ottenga un briefing meteorologico prima di un volo IFR per determinare le condizioni meteorologiche in rotta e nell'ambiente del terminal per preparare meglio un piano di volo e rendersi consapevoli dei pericoli meteorologici.

Mentre il volo può essere effettuato attraverso le nuvole in sicurezza, gli avvicinamenti e gli atterraggi potrebbero non esserci, con pochissime eccezioni, come discusso in precedenza. Gli approcci strumentali hanno massimali specifici e minimi di visibilità che devono essere rispettati. Se un pilota non può vedere l'ambiente di pista che soddisfa i minimi di visibilità pubblicati al punto di mancato avvicinamento o all'altitudine di decisione, deve interrompere il tentativo di atterraggio e volare con le procedure di mancato avvicinamento appropriate per quell'avvicinamento. Solo gli equipaggi appositamente addestrati che volano su aeromobili specificamente equipaggiati in aeroporti attrezzati per gestire atterraggi con pilota automatico accoppiato su specifiche procedure di avvicinamento strumentale possono atterrare in condizioni di visibilità zero.