卡西尼·惠更斯号探测器是美国国家航空航天局、欧洲空间局和意大利航天局的一个合作探测计划，主要任务是对土星系统进行空间探测。卡西尼是人类迄今为止发射的规模最大、复杂程度最高的行星探测器。
探测器由不同国家的三个航天局的协作完成，17个国家参与了这艘飞船的建造，来自世界各地超过200位科学家参与研究卡西尼·惠更斯号收集的数据。
法国天文学家卡西尼在1675年通过望远镜发现了土星光环环缝，卡西尼轨道器便以他的名字命名，其任务是环绕土星飞行。而卡西尼号携带的探测器惠更斯号以荷兰物理学家、天文学家、数学家惠更斯命名，他发现了土卫六。
1997年10月15日，泰坦4号运载火箭载着卡西尼-惠更斯号从美国佛罗里达州著名的航空海岸卡纳维拉尔角发射，历时20年的太空旅行由此开始。这个探测计划由两部分组成：卡西尼号轨道器会环绕土星及其卫星运行四年之久，而惠更斯号探测器则会深入土卫六浓雾包围的大气层并在其表面着陆。安装在这两枚探测器上的精密仪器将会为科学家们提供帮助弄清这片神秘而辽阔的区域的重要数据。
1998年4月26日与1999年6月4日，卡西尼两次接近金星，进行重力助推调整，确保探测器有足够的动能可以抵达土星小行星主带。1999年8月18日，卡西尼近距离通过地球，再次进行重力助推调整。此时，卡西尼距离月球只有377,000千米，它记录下月球的影像。
1998年4月26日与1999年6月4日，卡西尼两次接近金星，进行重力助推调整，确保探测器有足够的动能可以抵达土星小行星主带。1999年8月18日，卡西尼近距离通过地球，再次进行重力助推调整。此时，卡西尼距离月球只有377,000千米，它记录下月球的影像。
2003年10月10日，卡西尼科学家团队宣布，卡西尼携带的探测仪器把引力时间延迟精确度提高到了小于0.002%，与爱因斯坦广义相对论的实验结果相吻合，是当时精确度最高的广义相对论实验验证。2004年6月11日, 卡西尼－惠更斯号飞抵土卫九，这是继旅行者2号之后最接近该卫星的一次，也是卡西尼唯一一次近距离飞掠土卫九。图为卡西尼从多个角度记录了土卫九的影像。
2004年7月1日，卡西尼历时7年抵达土星，成为首艘绕行土星的探测器。卡西尼曾到达距离土星最近位置，距离土星上层大气只有20,000千米。图为卡西尼拍摄的土星。
2008年3月12日，卡西尼以50千米的距离飞掠土卫二，发现其表面的羽状物中含有复杂的碳氢化合物。这项发现提高了土卫二存在生命的可能性。
20年间，卡西尼飞越三颗太阳系行星，耗时7年抵达土星。共计执行地球指令250万次，收集数据635GB，拍摄照片453,048张，主引擎点火183次，总计航程78亿公里，超过5000人参与任务。
除了大量的科学研究设备，卡西尼还携带了一张DVD光碟，里面汇集了616400名地球人的数字签名和祝福视频。
2008年4月15日, 卡西尼确定展开两年延伸任务，将绕行土星60次、近距离探测土卫六21次、近距离探测土卫二7次、近距离探测土卫一6次、近距离探测土卫三8次，及分别接近土卫四、土卫五与土卫十二各1次。这次延伸任务于2008年7月1日展开。第二次延伸任务于2010年10月2日展开，并一直持续至今。
2008年4月15日, 卡西尼确定展开两年延伸任务，将绕行土星60次、近距离探测土卫六21次、近距离探测土卫二7次、近距离探测土卫一6次、近距离探测土卫三8次，及分别接近土卫四、土卫五与土卫十二各1次。这次延伸任务于2008年7月1日展开。第二次延伸任务于2010年10月2日展开，并一直持续至今。
2013年7月19日，卡西尼号使用高清晰度照相机拍摄到从土星回望地球照片。
2017年4月26日，卡西尼燃料殆尽，开始最后22圈的绕土星飞行。在卡西尼出发前，人们对土星及其卫星还知之甚少，认为它们根本不可能存在生命，卡西尼项目也被归为不需消毒的一类。通过对卡西尼传回图像和数据研究，科学家们才发现这一想法是完全错误的。为了避免卡西尼号可能附有地球微生物，从而污染土星卫星，卡西尼将坠落土星，自我销毁。
格林尼治标准时间2017年9月15日11时55分，卡西尼没能等到自己的20岁生日，便迎来了太空之旅的”最终章”。在向地球发出最后一条信息后，卡西尼如流星般划过土星上空，消融在土星的大气层中。83分钟后，这条信息穿越14.3亿公里抵达地球，宣告了卡西尼长达20年的太空之旅就此终结。永别了，卡西尼！人类迈向太空的里程碑上，将永刻你的名字。
2005年5月1日，卡西尼号在基勒环缝中发现土卫三十五，正是因为它的存在，导致了土星环缝产生了波纹状的变化。
2006年7月21日，科学家从卡西尼拍摄的照片中发现土卫六北半球存在碳氢化合物湖泊，这是人类首次在地球以外的星球发现湖泊。2007年3月13日，喷气推进实验室宣布土卫六北半球存在碳氢化合物海洋，有一个比北美洲五大湖还大。科学家认为，土卫六在气候和地理上最接近地球，拥有孕育生命的条件。
这是一次漫长的单程旅行，航程为35亿公里，如果使用引擎推进，则需要卡西尼携带超过70吨的燃料，这显然无法实现，因此科学家们决定用弹弓效应将卡西尼送至土星。卡西尼沿着地球-金星-金星-地球-木星的路线绕行飞行，耗时7年抵达土星。
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