Cassini-Huygens var en ubemannet romferd og et samarbeidsprosjekt mellom NASA, ESA og den italienske romfartsorganisasjonen Agenzia Spaziale Italiana med formål å studere Saturn og dens måner. Romsonden besto av to hovedelementer: kretsløpsmodulen Cassini og landingsfartøyet Huygens. Det ble skutt opp 15. oktober 1997 og gikk inn i kretsløp rundt Saturn 1. juli 2004. Det var det første romfartøy som går i bane rundt Saturn, og det fjerde som noensinne besøkte planeten. Cassini gikk i oppløsning 15. september 2017, etter at drivstoffet var oppbrukt.

Oversikt thumb|Oppskytningen fant sted kl. 0843 UTC 15. oktober 1997 fra Cape Canaveral Air Station i Florida, USA.

Cassinis hovedformål var å: undersøke den tredimensjonale strukturen og den dynamiske utvikling av Saturns ringer. undersøke sammensetningen av månenes overflate og deres geologiske historie. undersøke naturen og opprinnelsen til det mørke stoffet på månen Iapetus' fremadrettede halvkule. måle den tredimensjonale strukturen og dynamiske utviklingen til Saturns magnetosfære. studere den dynamiske utviklingen av Saturns skyer i atmosfæren. studere variasjonen av Titans skyer og tåker. undersøke Titans overflate på lokalt nivå.

Romfartøyet Cassini-Huygens ble skutt opp den 15. oktober 1997 fra John F. Kennedy Space Center ved hjelp av en U.S. Air Force Titan IVB/Centaur bærerakett. Bæreraketten var satt sammen av en totrinns Titan IV startrakett, to fastspente rakettmotorer, det øvre Centaur-trinnet, og et nyttelastdeksel som omsluttet både Cassini-Huygens og Centaur-trinnet.

Romfartøyet besto av kretsløpsmodulen Cassini og landingsfartøyet Huygens. Cassini som var oppkalt etter den italienske astronomen og ingeniøren Giovanni Cassini (1625–1712) som var pioner i utforskningen av Saturn og dens måner, gikk i kretsløp omkring Saturn og dens måner, og gjorde det i fire år. Huygens gikk inn i atmosfæren til månen Titan og landet på dens overflate. Cassini-Huygens var et internasjonalt samarbeid mellom tre romfartsorganisasjoner. Sytten land bidro til byggingen av fartøyet. Cassini-modulen ble bygget av, og ble operert av NASAs Jet Propulsion Laboratory. Sonden Huygens ble bygget av European Space Agency. Den italienske romfartsorganisasjonen Agenzia Spaziale Italiana leverte Cassinis radar- og kommunikasjonsantenne.

Totalkostnaden for Cassini-Huygens-ekspedisjonen var på omkring 3,26 milliarder US dollar, inkludert 1,4 mrd. til utvikling av Cassini-delen (før oppskytning), 704 mill. for drift, 54 mill. for kommunikasjon og 422 mill. for bæreraketten. USA bidro med 2,6 mrd. US dollar, ESA med 500 millioner og den Italienske Romfartsorganisasjonen med 160 millioner.

Cassini-Huygens var oppkalt etter den nederlandske astronomen Christiaan Huygens, som oppdaget Saturns første måne i 1655, og Giovanni Domenico Cassini fra Genova (idag Italia) som oppdaget fire av Saturns måner mellom 1671 og 1684.

Design av romfartøyet

Romfartøyet var opprinnelig planlagt som Mariner Mark II, en serie RTG-drevne romsonder med gyrostabilisator på tre akser, som var ment for romferder utenfor Mars' bane. Imidlertid førte forskjellige budskjettnedskjæringer og omberamminger av prosjektet til et mer spesialisert design, og implementasjonen av Mariner Mark II-seriene ble lagt på is inntil videre.

Cassini-Huygens var et av de største, tyngste og mest komplekse interplanetariske romfartøy som inntil da var blitt bygd. Bare kretsløpmodulen i seg selv hadde en masse på 2150 kg. I tillegg kom landingsfartøyet Huygens, tilpasningsstykke til utskytningsfartøyet, og 3132 kg brennstoff, som brakte totalmassen opp i 5600 kg. Bare Fobos-sondene som ble sendt til Mars av Sovjetunionen var tyngre. Cassini var mer enn 6,8 m høy, og over 4 meter bred. Fartøyet var komplekst både på grunn av innflygningsbanen til Saturn, og de mange forskjellige vitenskapelige undersøkelsene som ble gjort ved Saturn. Det hadde 1630 elektriske kretser, 22 000 kabeltilkoblinger, og over 14 kilometer kabel.

I sin bane rundt Saturn befant Cassini seg mellom 8,2 og 10,2 astronomiske enheter (AU) fra jorden. På grunn av denne avstanden tok det mellom 68 og 84 minutter for ett signal å reise fra fartøyet til jorden, og akkurat det samme den andre veien. I praksis betyr dette at kontrollørene på bakken ikke kunne styre fartøyet i sanntid, hverken for instruksjoner dag for dag eller for å reagere på eventuelle uforutsette hendelser. På den tiden kontrollørene brukte på å bli klar over et problem og til løsningen kom frem, gikk det nesten tre timer.

Cassini hadde følgende instrumenter ombord: en radar, et kamera med CCD-brikke, et spektrometer for synlig lys og infrarød stråling, et infrarødt komposittspektrometer, en ultrafiolett bilde-spektrograf, et instrument for avbildning av magnetosfæren, et magnetometer, og et massesepektrometer for ioner og nøytral materie. Telemetrien fra antennen og andre spesialsendere (en S-bånd-sender og et tofrekvenssystem på Ka-båndet) ble brukt for å observere atmosfærene på Titan og Saturn, og å måle tyngdefeltene til planeten og månene dens.

Plutonium som kontroversiell kraftkilde

Grunnet Saturns avstand fra solen var ikke solceller en egnet energikilde for romfartøyet. For å kunne produsere nok strøm til å drive det, måtte man ha hatt såpass store enheter at fartøyet rett og slett ikke ville ha kunnet bære det. Istedenfor ble fartøyet drevet av tre termoelektriske radioisotopgeneratorer (RTG), som brukte varmen fra den naturlige nedbrytingen av plutonium-238 (i form av plutoniumdioksid) for å generere elektrisitet. Disse RTGene var av samme design som de som drev Galileo-sonden, og som drev Ulysses-fartøyet og New Horizons-sonden som ble skutt opp i januar 2006. RTG'ene var konstruert for å ha lang operasjonell levetid. Når den elleve år lange Cassini-ferden var over, ville de ennå være kapable til å produsere 628 Watt elektrisitet.

Cassinis bruk av plutonium var 32,8 kg, og inntil da, det meste som var skutt ut i rommet på én gang. Bruken fikk massiv kritikk fra miljøgrupper, fysikere og en del tidligere ansatte ved NASA. NASA laget flere tester vedrørende oppdragets risiko, som alle viste at det var trygt innen akseptable rammer. Den utregnede sjansen for radioaktiv lekkasje i løpet av de første tre og et halvt minuttene etter utskytning var 1 til 1400, og sjansen for lekkasje senere under rakettens tur mot himmelen var 1 til 476. Videre var sannsynligheten for at fartøyet falt til bakken senere i oppdraget mindre enn én til en million. I et verst tenkelig scenario ville høyst 120 mennesker dø av kreft forårsaket av Cassini, og det over en periode på 50 år. Utregningene ble spottet av kritikerne som støttet seg på fysikkprofessoren Michio Kakus utregninger, som anslo at om plutoniumsbeholderne overlevde veien inn i atmosfæren og krasjet i et tettere bebygget område ville 200 000 kunne komme til å dø.

For å skaffe den nødvendige fremdriften for reisen til Saturn, inneholdt Cassinis bane flere gravitasjonsmanøvre: To rundt planeten Venus, en rundt jorden og til slutt en forbi Jupiter. Passeringen av jorden som ble gjennomført med godt resultat den 18. august 1999 var det siste punktet på fartøyets reise hvor det var en potensiell fare for mennesker. Hadde den feilet, kunne innholdet i RTGene blitt sluppet ut over jordens atmosfære. Et lite antall aktivister fortsatte å demonstrere etter manøveren. Mot-demonstranter fra National Space Society bar faner med påskriften CASSINI IS GO. Den 11. juni 2004 entret fartøyet planetsystemet rundt Saturn.

Huygens-sonden Huygens-sonden, som var gitt av Den europeiske romfartsorganisasjonen (ESA) og oppkalt etter den nederlandske astronomen Christiaan Huygens fra 1700-tallet, vil granske skyer, atmosfæren og overflaten på Saturns måne Titan. Den var laget for at den skal kunne gå inn i Titans atmosfære og slippe et fullstendig utstyrt robot-laboratorium ned på overflaten i fallskjerm. Huygens-sonden besto av to deler; sonden i seg selv, som gikk ned på Titan og the probe support equipment (PSE), som var igjen i romfartøyet som gikk i bane rundt månen. PSE-en inneholdt utstyr for å lokalisere sonden, for å motta data i løpet av nedfarten, og for å behandle dataene og videresende dem til satellitten, som deretter vil sende den videre til jorden.

Sonden lå i dvale gjennom den 6,7 år lange reisen gjennom rommet, bortsett fra rutinesjekker to ganger i året. Disse sjekkene simulerte nedstigningssekvensen så godt det lot seg gjøre, og resultatene ble sendt til jorden, der de ble undersøkt av eksperter på landingssystemene og instrumentene ombord.

Instrumentering Huygens-sonden hadde seks avanserte instrumenter ombord som skulle forsikre at dataene fra Titan ble overført til Cassini og til jorden, etter at sonden steg ned i Titans atmosfære. Disse seks var:

Doppler vind-eksperiment (DWE)

Dette eksperimentet brukte en ultra-stabil oscillator for å forbedre kommunikasjonen med sonden ved å gi den en svært stabil bærefrekvens. Sondens forflytning forårsaket av vinder i Titans atmosfære ville gi en målbar Doppler-forskyvning i bæresignalet. Sondens svingebevegelse under fallskjermen, som skyldes atmosfæriske forhold, kunne også fanges opp.

Nedstigningskamera/spektralradiometer (DISR)

Dette instrumentet laget en rekke bilde- og spektralanalyser ved å bruke flere sensorer og observasjonsvinkler. Ved å måle oppadgående og nedadgående strømmer av stråling, ville en eventuell ubalanse i atmosfærens strålingsbalanse kunne måles. Solsensorer vil måle forskjeller i lysintensiteten fra solen som skyldes aerosoler i atmosfæren. Dette gjorde det mulig å beregne størrelsen og mengden av de svevende partiklene. To kameraer (ett synlig, ett infrarødt) kunne observere overflaten i de siste stadiene av nedstigningen. Sonden snurret sakte rundt og bygde opp en mosaikk av bilder rundt landingsstedet. Et kamera var stilt vannrett for å få bilder av horisonten og undersiden av skydekket. For å gjøre spektralanalyser av overflater ble en lampe skrus på kort tid før landing. Dette ble gjort ettersom dagslyset på overflaten er svært svakt.

Gasskromatograf Massespektrometer (GCMS)

Dette instrumentet var et allsidig kjemisk analyseinstrument som var laget for å identifisere og måle kjemikalier i Titans atmosfære. Det var utstyrt med en prøvetaker som ble fylt høyt i atmosfæren for analyse. Massespektrometeret bestemte molvekten av hver gass, og en kraftigere separasjon av de molekylære og isotopiske stoffene ble oppnådd ved hjelp av gasskromatografen. Under nedstigningen analyserte GCMS-en også pyrolyseprodukter (gassprøver endret ved oppvarming) som ble sendt fra en aerosolfanger. Til slutt målte GCMS-en sammensetningen av Titans overflate. Denne undersøkelsen ble gjort mulig ved å varme opp GCMS-instrumentet rett før landing slik at overflatemateriale som virvles opp fordampet.

Viktige hendelser og oppdagelser

Tidslinje En kronologisk oversikt over ferden finnes under Cassini-Huygens tidslinje. Det følgende er en oversikt over viktige hendelser og oppdagelser.

Passering av Jupiter thumb|Jupiter fotografert av Cassini ved passering i desember 2000 (foto: NASA)

Cassini gjorde sin nærmeste passering av Jupiter 30. desember 2000, og gjorde mange vitenskapelige målinger. Omtrent 26 tusen bilder ble tatt av Jupiter i løpet av den en måneds lange passeringen. Det mest detaljerte globale fargebilde av Jupiter noen gang ble produsert (se bilde til høyre), med synlige detaljer ned til omtrent 60 km i størrelse.