Cassini-Huygens – misja bezzałogowej sondy kosmicznej przeznaczonej do wykonania badań Saturna, jego pierścieni, księżyców i magnetosfery. Jest ona wspólnym przedsięwzięciem trzech agencji kosmicznych: amerykańskiej NASA, europejskiej ESA i włoskiej ASI. Sonda została wystrzelona w październiku 1997 roku. W lipcu 2004 roku Cassini stał się pierwszym sztucznym satelitą Saturna, a odłączony od sondy próbnik Huygens w styczniu 2005 roku wylądował na powierzchni Tytana.
W drodze do Saturna sonda dwukrotnie przeleciała obok Wenus, minęła Ziemię oraz Jowisza. Po zakończeniu w połowie 2008 roku głównej misji w układzie Saturna, została ona kolejno dwukrotnie przedłużona. Sonda Cassini uległa zniszczeniu 15 września 2017 roku w atmosferze Saturna.
Dzięki misji Cassini-Huygens poznano wygląd powierzchni Tytana i bezpośrednio zbadano jego atmosferę. Odkryto istnienie czynnych gejzerów na powierzchni Enceladusa oraz wcześniej nieznane księżyce. Bliżej poznano strukturę pierścieni Saturna i ich związki z księżycami planety.
Nazwa misji została nadana na cześć dwóch siedemnastowiecznych astronomów. Giovanni Domenico Cassini odkrył cztery księżyce Saturna (Japeta, Reę, Tetydę i Dione) oraz przerwę w pierścieniach tej planety. Christiaan Huygens odkrył Tytana oraz jako pierwszy prawidłowo opisał naturę pierścieni Saturna.
Cele naukowe misji Głównym zadaniem misji Cassini-Huygens było przeprowadzenie dogłębnej eksploracji systemu Saturna. Dla każdego rodzaju ciał w tym systemie (planeta, pierścienie, Tytan, księżyce lodowe i magnetosfera) została ustalona lista celów naukowych, które obejmują określenie obecnego stanu tych ciał, procesów w nich zachodzących i interakcji zachodzących pomiędzy poszczególnymi ciałami.
Saturn Określenie rozkładu temperatury, własności obłoków i składu atmosfery Saturna. Pomiar globalnego rozkładu wiatrów, włączając ich składniki falowe i wirowe; obserwacja cech obłoków i procesów synoptycznych. Wyciągnięcie wniosków na temat struktury wewnętrznej i rotacji głębokich warstw atmosfery. Obserwacja zmienności dobowej w jonosferze Saturna i wpływu pola magnetycznego na jonosferę. Dostarczenie ograniczeń obserwacyjnych (skład gazów, stosunek izotopów, strumień ciepła itp.) na scenariusze powstania i ewolucji Saturna. Zbadanie źródeł i morfologii wyładowań atmosferycznych na Saturnie (gwizdy piorunowe (lightning whistlers), wyładowania elektrostatyczne).
Pierścienie Saturna Zbadanie ukształtowania pierścieni i procesów dynamicznych (grawitacyjnych, lepkich, erozyjnych i elektromagnetycznych) odpowiedzialnych za ich strukturę. Sporządzenie map rozkładu wielkości i składu materiału pierścieni. Określenie związków pomiędzy pierścieniami a księżycami, włączając w to księżyce wbudowane w pierścienie. Ustalenie rozkładu pyłu i meteoroidów w sąsiedztwie pierścieni. Zbadanie interakcji pomiędzy pierścieniami a magnetosferą, jonosferą i atmosferą Saturna.
Tytan Określenie obfitości składników atmosfery (w tym gazów szlachetnych); ustalenie stosunków izotopowych dla obficie występujących pierwiastków; wprowadzenie ograniczeń na scenariusze powstania i ewolucji Tytana i jego atmosfery. Obserwacja pionowego i poziomego rozkładu gazów śladowych; poszukiwanie złożonych związków organicznych; zbadanie źródeł energii dla chemii atmosferycznej; modelowanie fotochemii stratosfery; zbadanie powstawania i składu aerozoli. Pomiar prędkości wiatrów i globalnych temperatur; zbadanie fizyki chmur, ogólnej cyrkulacji i efektów sezonowych w atmosferze Tytana; poszukiwanie wyładowań piorunowych. Ustalenie stanu fizycznego, topografii i składu powierzchni; wyciągnięcie wniosków na temat budowy wewnętrznej księżyca. Zbadanie górnej części atmosfery, jej jonizacji i jej roli jako źródła neutralnej i zjonizowanej materii w magnetosferze Saturna.
Księżyce lodowe Określenie ogólnej charakterystyki i historii geologicznej księżyców. Określenie mechanizmów, zarówno zewnętrznych, jak i wewnętrznych, odpowiedzialnych za modyfikacje skorupy i powierzchni. Zbadanie składu i rozmieszczenia materii na powierzchni księżyców, w szczególności ciemnych materiałów bogatych w związki organiczne i skondensowanych substancji lotnych o niskim punkcie topnienia. Wprowadzenie ograniczeń na modele opisujące ogólny skład i budowę wewnętrzną księżyców. Zbadanie interakcji księżyców z magnetosferą i systemem pierścieni oraz możliwego wprowadzania przez nie gazu do magnetosfery.
Magnetosfera Określenie konfiguracji prawie osiowo symetrycznego pola magnetycznego i jego związku z modulacją promieniowania kilometrowego Saturna (Saturn Kilometric Radiation). Określenie systemów prądów, składu, źródeł i odpływów cząstek naładowanych magnetosfery. Zbadanie interakcji falowo-cząsteczkowych i dynamiki po stronie dziennej magnetosfery i w ogonie magnetycznym Saturna oraz ich wzajemnego oddziaływania z wiatrem słonecznym, księżycami i pierścieniami. Zbadanie efektów interakcji Tytana z wiatrem słonecznym i plazmą magnetosferyczną. Zbadanie interakcji atmosfery i egzosfery Tytana z otaczającą plazmą.
Konstrukcja sondy thumb|Schemat konstrukcji sondy Cassini (bez zewnętrznej izolacji termicznej)
Sonda składała się z orbitera Cassini i lądownika Huygens, które w początkowych etapach misji pozostawały ze sobą połączone. Ich całkowita masa startowa wynosiła 5574 kg, z czego na paliwo przypadało 3132 kg. Doliczając masę łącznika z rakietą nośną łączna masa przy starcie wynosiła 5712 kg. Ze wszystkich uprzednio wysłanych sond kosmicznych jedynie sondy Fobos i Mars 96 miały większą masę startową.
Konstrukcja orbitera Cassini Kadłub orbitera miał wysokość całkowitą 6,87 m i składał się z pięciu połączonych z sobą głównych modułów konstrukcyjnych. Patrząc od góry były to kolejno:
antena główna o średnicy 4 m; przedział elektroniki w kształcie dwunastobocznego pierścienia; górny moduł wyposażenia; moduł napędowy z silnikami; dolny moduł wyposażenia.
Do kadłuba przymocowany był wysięgnik o długości 11 m dla magnetometru oraz trzy ustawione ortogonalnie anteny o długości 10 m służące do odbioru fal plazmowych. Większa część konstrukcji kadłuba wykonana była z aluminium, z niektórymi elementami z tytanu i berylu. Antena główna i wysięgniki dolnego modułu wyposażenia wykonane zostały z epoksydów grafitowych. Wszystkie główne podsystemy inżynieryjne sondy zostały zdublowane na wypadek awarii układu podstawowego. Sonda była stabilizowana trójosiowo.
Na pokładzie orbitera znajdowało się 12 instrumentów naukowych. Większość instrumentów została przymocowana do dwóch stałych platform na powierzchni kadłuba. Były to paleta dla instrumentów teledetekcyjnych (remote-sensing pallet) i paleta dla instrumentów badających cząstki i pola (particles-and-fields pallet). Ponieważ brak było ruchomej platformy skanującej, cała sonda musiała być obracana podczas wykonywania obserwacji teledetekcyjnych.
Większa część kadłuba sondy przykryta była przez wielowarstwową izolację termiczną w kolorze złotym oraz czarnym wykonaną z użyciem Kaptonu, która chroniła także przed uderzeniami mikrometeoroidów. W skład systemu kontroli temperatury wchodziły też grzejniki elektryczne i radioizotopowe oraz kontrolowane przez termostat żaluzje.
Zasilanie w energię thumb|Schemat konstrukcji generatora GPHS-RTG thumb|Jeden z generatorów GPHS-RTG sondy Cassini thumb|Silniki główne sondy Cassini thumb|Antena HGA podczas testów naziemnych thumb|Komputery pokładowe EFC
Energia elektryczna dostarczana była sondzie przez trzy, przymocowane do dolnego modułu wyposażenia, radioizotopowe generatory termoelektryczne GPHS-RTG (ang. General-Purpose Heat Source Radioisotope Thermoelectric Generator). Każdy z generatorów miał 114 cm długości, 42,2 cm średnicy, masę 56,4 kg i zawierał pluton 238 w postaci dwutlenku. Masa dwutlenku plutonu w każdym generatorze wynosiła około 10,9 kg, w tym masa plutonu 238 wynosiła około 7,7 kg (co stanowiło 82,2% całkowitej masy wszystkich izotopów plutonu w paliwie). Na początku misji generatory wytwarzały prąd stały (o napięciu 30 V) o łącznej mocy około 887 W. Dostarczana energia stopniowo zmniejszała się z czasem z powodu rozpadu radioaktywnego plutonu i degradacji elementów ogniw termoelektrycznych. Przewidywano, że pod koniec głównej fazy misji, w lipcu 2008 roku, generatory będą wytwarzać około 692 W energii elektrycznej.
Generatory GPHS-RTG zostały wyprodukowane w zakładach koncernu Lockheed Martin.
Na pokładzie sondy umieszczono także 117 grzejników radioizotopowych (82 na pokładzie orbitera Cassini i 35 na pokładzie próbnika Huygens), zawierających łącznie 0,3 kg dwutlenku plutonu, każdy o masie 40 g i mocy ok. 1 W.
Moduł napędowy Moduł napędowy orbitera złożony był z dwóch oddzielnych i niezależnych systemów na dwuskładnikowy i jednoskładnikowy materiał pędny. System na dwuskładnikowy materiał pędny wykorzystywał, znajdujące się w osobnych zbiornikach, monometylohydrazynę jako paliwo i tetratlenek diazotu jako utleniacz. Zbiornik z helem pod wysokim ciśnieniem dostarczał gazu utrzymującego ciśnienie w zbiornikach z materiałami pędnymi. Dwa, podstawowy i zapasowy, umieszczone obok siebie centralnie u podstawy sondy, silniki główne Kaiser Marquardt R-4D o ciągu 445 N i impulsie właściwym 304 s służyły do wykonywania wszystkich dużych manewrów o Δv powyżej 0,4 m s−1. Dysze silników były ruchome, dla utrzymania kierunku ciągu zgodnego ze środkiem masy sondy. Ruchoma osłona chroniła dysze silników głównych przed uderzeniami cząstek pyłu.
System na jednoskładnikowy materiał pędny wykorzystywał hydrazynę służącą do zasilania 8 podstawowych i 8 zapasowych silników korekcyjnych o ciągu (na początku misji) 0,97 N i impulsie właściwym 195 s. Rozmieszczone były one na czterech zestawach silnikowych przymocowanych do boków kadłuba na wysokości dolnego modułu wyposażenia orbitera. W skład każdego zestawu silnikowego wchodziły cztery silniki: po dwa ustawione w dwóch różnych osiach (Y i Z). Tylko jeden silnik w każdej osi był używany, drugi stanowił układ rezerwowy. Zbiornik z helem służył do utrzymywania ciśnienia w zbiorniku z hydrazyną. Silniki tego systemu służyły do kontroli położenia sondy, wykonywania mniejszych manewrów korekcyjnych i desaturacji kół reakcyjnych (wnoszenie poprawek do momentu pędu kół reakcyjnych).
Początkowa masa materiałów pędnych w systemie dwuskładnikowym wynosiła 3000 kg (1869 kg utleniacza i 1131 kg paliwa). Masa hydrazyny w systemie na jednoskładnikowy materiał pędny wynosiła na początku misji 132 kg. Masa helu w obu systemach wynosiła odpowiednio 8,6 kg i 0,4 kg.
W marcu 2009 roku z powodu pogorszenia osiągów dwóch z ośmiu silników korekcyjnych zestawu podstawowego (branch A) dokonano przełączenia na zestaw silników rezerwowych (branch B).
Moduł napędowy został wykonany w zakładach Lockheed Martin Astronautics.
Łączność Do łączności z Ziemią wykorzystywana była głównie antena o wysokim zysku (High-Gain Antenna, HGA) o średnicy 4 m z nadajnikiem o mocy 20 W pracującym w paśmie X na częstotliwości 8,43 GHz (o zysku 47 dBi) i odbiornikiem w paśmie X na częstotliwości 7,2 GHz. Szybkość transmisji danych z orbity wokół Saturna wynosiła od 22,12 do 165,9 kilobitów na sekundę. Odbiór rozkazów z Ziemi odbywał się z szybkością do 500 bitów na sekundę. Poza łącznością z Ziemią antena główna wykorzystywana była przez radar w paśmie Ku i do naukowych eksperymentów radiowych w pasmie Ka i paśmie S. Podczas lądowania próbnika Huygens na Tytanie posłużyła do odbioru z niego danych (w paśmie S). W początkowej fazie misji, gdy Cassini znajdował się w wewnętrznych obszarach Układu Słonecznego, antena ta pełniła funkcję osłony przeciwsłonecznej dla sondy. Antena HGA została dostarczona przez Włoską Agencję Kosmiczną (ASI).