卡西尼·惠更斯號探測器是美國國家航空航天局、歐洲空間局和意大利航天局的一個合作探測計劃，主要任務是對土星系統進行空間探測。卡西尼是人類迄今為止發射的規模最大、複雜程度最高的行星探測器。
探測器由不同國家的三個航天局的協作完成，17個國家參與了這艘飛船的建造，來自世界各地超過200位科學家參與研究卡西尼·惠更斯號收集的數據。
法國天文學家卡西尼在1675年通過望遠鏡發現了土星光環環縫，卡西尼軌道器便以他的名字命名，其任務是環繞土星飛行。而卡西尼號攜帶的探測器惠更斯號以荷蘭物理學家、天文學家、數學家惠更斯命名，他發現了土衛六。
1997年10月15日，泰坦4號運載火箭載著卡西尼-惠更斯號從美國佛羅里達州著名的航空海岸卡納維拉爾角發射，歷時20年的太空旅行由此開始。這個探測計劃由兩部分組成：卡西尼號軌道器會環繞土星及其衛星運行四年之久，而惠更斯號探測器則會深入土衛六濃霧包圍的大氣層並在其表面著陸。安裝在這兩枚探測器上的精密儀器將會為科學家們提供幫助弄清這片神秘而遼闊的區域的重要數據。
1998年4月26日與1999年6月4日，卡西尼兩次接近金星，進行重力助推調整，確保探測器有足夠的動能可以抵達土星小行星主帶。1999年8月18日，卡西尼近距離通過地球，再次進行重力助推調整。此時，卡西尼距離月球只有377,000千米，它記錄下月球的影像。
1998年4月26日與1999年6月4日，卡西尼兩次接近金星，進行重力助推調整，確保探測器有足夠的動能可以抵達土星小行星主帶。1999年8月18日，卡西尼近距離通過地球，再次進行重力助推調整。此時，卡西尼距離月球只有377,000千米，它記錄下月球的影像。
2003年10月10日，卡西尼科學家團隊宣佈，卡西尼攜帶的探測儀器把引力時間延遲精確度提高到了小於0.002%，與愛因斯坦廣義相對論的實驗結果相吻合，是當時精確度最高的廣義相對論實驗驗證。2004年6月11日, 卡西尼－惠更斯號飛抵土衛九，這是繼旅行者2號之後最接近該衛星的一次，也是卡西尼唯一一次近距離飛掠土衛九。圖為卡西尼從多個角度記錄了土衛九的影像。
2004年7月1日，卡西尼歷時7年抵達土星，成為首艘繞行土星的探測器。卡西尼曾到達距離土星最近位置，距離土星上層大氣只有20,000千米。圖為卡西尼拍攝的土星。
2008年3月12日，卡西尼以50千米的距離飛掠土衛二，發現其表面的羽狀物中含有複雜的碳氫化合物。這項發現提高了土衛二存在生命的可能性。
20年間，卡西尼飛越三顆太陽系行星，耗時7年抵達土星。共計執行地球指令250萬次，收集數據635GB，拍攝照片453,048張，主引擎點火183次，總計航程78億公里，超過5000人參與任務。
除了大量的科學研究設備，卡西尼還攜帶了一張DVD光碟，裡面彙集了616400名地球人的數字簽名和祝福視頻。
2008年4月15日, 卡西尼確定展開兩年延伸任務，將繞行土星60次、近距離探測土衛六21次、近距離探測土衛二7次、近距離探測土衛一6次、近距離探測土衛三8次，及分別接近土衛四、土衛五與土衛十二各1次。這次延伸任務於2008年7月1日展開。第二次延伸任務於2010年10月2日展開，並一直持續至今。
2008年4月15日, 卡西尼確定展開兩年延伸任務，將繞行土星60次、近距離探測土衛六21次、近距離探測土衛二7次、近距離探測土衛一6次、近距離探測土衛三8次，及分別接近土衛四、土衛五與土衛十二各1次。這次延伸任務於2008年7月1日展開。第二次延伸任務於2010年10月2日展開，並一直持續至今。
2013年7月19日，卡西尼號使用高清晰度照相機拍攝到從土星迴望地球照片。
2017年4月26日，卡西尼燃料殆盡，開始最後22圈的繞土星飛行。在卡西尼出發前，人們對土星及其衛星還知之甚少，認為它們根本不可能存在生命，卡西尼項目也被歸為不需消毒的一類。通過對卡西尼傳回圖像和數據研究，科學家們才發現這一想法是完全錯誤的。為了避免卡西尼號可能附有地球微生物，從而汙染土星衛星，卡西尼將墜落土星，自我銷燬。
格林尼治標準時間2017年9月15日11時55分，卡西尼沒能等到自己的20歲生日，便迎來了太空之旅的”最終章”。在向地球發出最後一條信息後，卡西尼如流星般劃過土星上空，消融在土星的大氣層中。83分鐘後，這條信息穿越14.3億公里抵達地球，宣告了卡西尼長達20年的太空之旅就此終結。永別了，卡西尼！人類邁向太空的里程碑上，將永刻你的名字。
2005年5月1日，卡西尼號在基勒環縫中發現土衛三十五，正是因為它的存在，導致了土星環縫產生了波紋狀的變化。
2006年7月21日，科學家從卡西尼拍攝的照片中發現土衛六北半球存在碳氫化合物湖泊，這是人類首次在地球以外的星球發現湖泊。2007年3月13日，噴氣推進實驗室宣佈土衛六北半球存在碳氫化合物海洋，有一個比北美洲五大湖還大。科學家認為，土衛六在氣候和地理上最接近地球，擁有孕育生命的條件。
這是一次漫長的單程旅行，航程為35億公里，如果使用引擎推進，則需要卡西尼攜帶超過70噸的燃料，這顯然無法實現，因此科學家們決定用彈弓效應將卡西尼送至土星。卡西尼沿著地球-金星-金星-地球-木星的路線繞行飛行，耗時7年抵達土星。
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