vignette|Titan, Saturne et ses anneaux photographiés par la sonde Cassini.
Cassini-Huygens est une mission d'exploration spatiale du système saturnien au moyen d'une sonde spatiale développée par l'agence spatiale américaine, la NASA, avec des participations importantes de l'Agence spatiale européenne (15 % du coût) et de l'Agence spatiale italienne. Lancé le , l'engin se place en orbite autour de Saturne en 2004. En 2005, l'atterrisseur européen Huygens, après s'être détaché fin 2004 de la sonde mère, se pose à la surface du satellite Titan et peut transmettre des informations collectées durant la descente et après son atterrissage. L'orbiteur Cassini tourne ensuite autour de Saturne et poursuit l'étude scientifique de la planète géante gazeuse, en profitant de ses passages à faible distance de ses satellites pour collecter des données détaillées sur ceux-ci. La mission, d'une durée initialement prévue de quatre ans, est prolongée à deux reprises : de 2008 à 2010 par la mission équinoxe (), puis de 2010 à 2017 par la mission solstice (). Afin de protéger les lunes de la planète, la sonde spatiale finit son voyage en plongeant dans l'atmosphère de Saturne le .
En 1982, les communautés scientifiques américaine et européenne étudient de manière indépendante l'envoi d'une mission d'étude de Saturne. Après avoir travaillé sur des projets séparés, la NASA et l'Agence spatiale européenne lancent à la fin des années 1980 le développement d'une mission conjointe : la NASA développe l'orbiteur et l'ESA l'atterrisseur, qui doit se poser sur Titan. Le projet frôle à plusieurs reprises l'annulation, à la suite des difficultés budgétaires de la NASA. Des mouvements écologistes tentent d'interdire le lancement de la sonde spatiale, à cause du plutonium embarqué pour alimenter en énergie la sonde spatiale. Finalement, la sonde spatiale est lancée le par le lanceur lourd -B.
Mission particulièrement ambitieuse et coûteuse ( de dollars américains), Cassini-Huygens est rattachée à ce titre au programme de la NASA. Par sa masse totale de (dont de carburant et pour l'atterrisseur Huygens), il s'agit du plus gros engin spatial lancé vers les planètes externes. L'orbiteur embarque douze instruments scientifiques, dont un radar, tandis que Huygens en emporte six. Cassini est stabilisé sur trois axes et son énergie provient de trois générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG) utilisant du plutonium.
La mission Cassini-Huygens remplit tous ses objectifs scientifiques en fournissant une moisson de données sur Saturne, sa magnétosphère, ses anneaux, Titan et les autres satellites de la planète géante. Les caméras de l'orbiteur fournissent également certaines des plus belles images du Système solaire. Cassini permet notamment d'affiner notre connaissance de Titan (lacs de méthane liquide, dunes, composition de l'atmosphère…), de découvrir les geysers d'Encelade, indices d'un océan souterrain hébergeant peut-être une forme de vie, d'obtenir les premières images détaillées de Phœbé, d'analyser en détail la structure des anneaux de Saturne, d'observer les formations étonnantes de l'atmosphère de la planète géante au niveau de son pôle nord et de découvrir une dizaine de nouveaux satellites naturels de petite taille (moins de ), ce qui porte à plus de 200 le nombre total de satellites saturniens connus à ce jour (2019). Les données collectées sur les anneaux de Saturne au cours des dernières orbites permettent de dater leur apparition : ceux-ci sont créés il y a moins de d'années et ils doivent disparaître dans moins de d'années.
Contexte vignette|redresse|Saturne en vraies couleurs et ses lunes Téthys, Dioné et Rhéa, photographiées par .
Les précurseurs : et les sondes
Les premiers projets américains d'exploration de Saturne et de son système (anneaux et lunes), par une sonde spatiale qui se place en orbite autour de la planète géante, remontent au début des . À cette époque, est en route pour le premier survol de Saturne et les sondes du programme , qui doivent suivre sa trace, sont en cours de développement. En 1973, le centre de recherche , de la NASA, planche sur une mission vers Saturne réutilisant les technologies développées pour Pioneer Venus et la future sonde Galileo. En 1975, le Bureau des sciences spatiales du Conseil national de la recherche des États-Unis recommande l'envoi d'une sonde consacrée à l'étude de Saturne, ses anneaux et ses lunes, notamment Titan. Les observations, depuis la Terre, de cette lune, la deuxième du système solaire par la taille après Ganymède, permettent de détecter la présence d'une atmosphère dans laquelle se trouvent des traces de méthane et sans doute d'hydrocarbures complexes, qui la font ressembler à la Terre primitive. Le centre de recherche commande une étude pour un engin d'exploration de Titan. Plusieurs types d'engins spatiaux sont envisagés, car on sait peu de choses des caractéristiques de l'atmosphère, et en particulier de sa densité. En 1976, le centre JPL de la NASA envisage, dans le cadre de son programme , l'envoi simultané d'un engin qui doit se poser en douceur à la surface de Titan et d'une sonde qui doit se mettre en orbite autour de Saturne, préfiguration de la mission Cassini-Huygens. Cet ensemble doit être lancé depuis la navette spatiale américaine, avec un étage Centaur chargé de lui donner l'impulsion lui permettant d'atteindre la planète Saturne. Pour la conception de l'atterrisseur, on part de l'hypothèse que l'atmosphère de Titan a une densité comprise entre 20 et 100 % de l'atmosphère terrestre et on envisage un atterrissage à la surface de lacs d'hydrocarbures. Les résultats des survols du système de Saturne par en 1980 puis en 1981 augmentent l'intérêt d'une mission destinée à l'exploration de la planète géante. En ce qui concerne Titan, un des principaux objectifs du programme Voyager, les informations recueillies sont limitées car la surface du satellite est entièrement masquée par une épaisse couche de nuages. Seuls un radar ou un atterrisseur peuvent percer cet obstacle. Par ailleurs, le survol du système saturnien par les sondes se fait à grande vitesse ( par seconde). Dans ces conditions, le recueil des données est limité par la durée du survol, une quinzaine de jours, ainsi que par la trajectoire suivie. La NASA étudie dans ce contexte le lancement d'une sonde spatiale dérivée de Galileo et emportant deux engins chargés d'étudier les atmosphères de Saturne et Titan..
Genèse du projet (1980-1988) vignette|redresse|Vue d'artiste de la sonde (SOTP) étudiée en 1988.
Au début des années 1980, le rapport du Comité d'exploration du Système solaire de la NASA (), qui fixe les objectifs de la NASA pour la décennie à venir, recommande le développement de quatre missions : Venus Radar Mapper, Mars Geoscience/Climatology Orbiter, Comet Rendezvous Asteroid Flyby (CRAF) et un orbiteur chargé d'étudier Saturne. À la même époque, Daniel Gautier, de l'Observatoire de Meudon, et Wing-Huan Ip, de l'Institut Max-Planck (Allemagne), suggèrent de développer un partenariat entre l'Europe et les États-Unis pour l'exploration de Saturne, en reprenant le modèle de la mission germano-américaine Galileo. Avec chercheurs européens, les deux hommes proposent en 1982 un projet qu'ils baptisent Cassini, en réponse à un appel à candidatures de l'Agence spatiale européenne. L'Europe doit développer l'orbiteur, tandis que la NASA est chargée de la mise au point de l'atterrisseur, car elle seule dispose de l'expertise nécessaire. Des contacts sont pris avec les chercheurs américains, par l'intermédiaire de Tobias Owen de l'université d'Hawaï. Cette même année 1982, la Fondation européenne de la science et l'Académie nationale des sciences américaine créent ensemble un groupe de travail pour définir des projets communs d'exploration du Système solaire. Ce groupe recommande le développement d'une mission d'exploration du système de Saturne comportant à la fois un orbiteur et un atterrisseur, reprenant ainsi la proposition Cassini. L'orbiteur doit réutiliser la plate-forme très sophistiquée en cours de développement pour la sonde Galileo, qui permet d'emporter un atterrisseur et la collecte de nombreuses informations scientifiques. Il est prévu que l'ESA développe l'atterrisseur, tandis que la NASA fournit l'orbiteur. Dans ses études, la NASA choisit toutefois, pour des raisons de coût, de développer une plate-forme plus simple, baptisée Mariner Mark II, dérivée des engins du programme Mariner. Celle-ci doit d'abord être mise en œuvre par la mission CRAF, puis par la mission lancée vers Saturne. La prise de décision est toutefois repoussée à la fin de la décennie. De 1984 à 1985, la NASA et l'ESA mènent des études techniques de faisabilité sur le projet. En 1986, le rapport décennal d'exploration du Système solaire, publié par les instances académiques américaines (Académie nationale des sciences), place en tête des priorités l'exploration de Saturne et de son système. L'ESA poursuit en 1986 des études sur le projet, alors qu'en 1987, l'astronaute Sally Ride défend l'idée d'un projet commun entre la NASA et l'ESA, dans un rapport rendu sur le sujet..
Lancement du projet (1988-1989) L'Agence spatiale européenne est la première à franchir le pas, en sélectionnant le , dans le cadre de son programme scientifique Horizon 2000, l'atterrisseur Huygens, chargé de se poser sur Titan, parmi quatre propositions. La NASA inclut la même année, dans son budget, un projet groupant l'orbiteur Cassini et la sonde spatiale CRAF, qui utilisent la même plate-forme, mais n'obtient un feu vert financier qu'en , avec un budget inférieur à sa demande. Selon les premiers plans, la mission doit être lancée initialement en 1994, par la navette spatiale américaine. Mais à la suite de l'accident de la navette spatiale Challenger, qui interdit d'emporter l'étage Centaur, il faut se rabattre sur le lanceur militaire Titan IV. Trois fenêtres de lancement, en , et 1997Après 1997 la sonde spatiale ne peut plus bénéficier de l'assistance gravitationnelle de Jupiter indispensable pour parvenir jusqu'à Saturne. sont identifiées, et celle de 1996 est retenue. Il est prévu que la sonde spatiale ait recours à l'assistance gravitationnelle de Vénus, de la Terre et de Jupiter, qu'elle effectue un survol à faible distance de l'astéroïde (66) Maïa, et qu'elle arrive dans le système de Saturne en 2002. La charge utile est sélectionnée simultanément en , par les deux agences spatiales. Il est prévu que les opérations de l'orbiteur Cassini soient contrôlées par le centre JPL de la NASA, tandis que Huygens doit être piloté depuis le centre de l'ESA, situé à Darmstadt. Le bus Mariner Mark II, utilisé par l'orbiteur Cassini, doit comporter un module orientable, permettant de pointer les instruments de télédétection, et un deuxième module en rotation constante, pour les instruments de mesure des champs et des particules..
Conception et construction de la sonde spatiale (1990-1997) Arbitrages budgétaires +Décomposition des coûts de la mission (2017) Phase Prestation Coût AgenceDéveloppement (1988-1997) Cassini avec instruments de dollars américains NASAHuygens avec instruments de dollars américains ESAAntenne Cassini de dollars américains ASILancement (1997) Lanceur Titan IV de dollars américains NASA Opérations(1997-2017) Opérations de dollars américains NASA Réseau télécommunications de dollars américains NASA