В течение шести месяцев Cassini дважды сблизится с Титаном. Он займется исследованием атмосферы и поверхности гигантского спутника, а также подготовится к посадке зонда. 25 декабря Cassini выпустит Huygens, который полетит к Титану, питаясь энергией от батарей. 14 января 2005 г. зонд войдет в атмосферу гиганта, простирающуюся над поверхностью на 1 тыс. км, т.е. в 10 раз больше, чем атмосфера Земли (см. рис.). При входе в атмосферу тепловой экран в форме блюдца защитит зонд от перегрева. На высоте 170 км развернется парашют, который замедлит и стабилизирует спуск. При прохождении зонда сквозь слой оранжевого тумана газовый хроматограф и масс-спектрометр (GCMS) будет анализировать состав атмосферы. Другой прибор соберет и выпарит твердые частицы, чтобы их можно было изучить при помощи GCMS. В это же время камера спуска (Descent Imager) и спектральный радиометр (DISR) сделают снимки облаков метана.
Когда зонд опустится до высоты около 50 км, DISR начнет передавать панорамные снимки ландшафта. На последних сотнях метров спуска белая лампа осветит поверхность, которая обычно выглядит грязно-красной, поскольку атмосфера поглощает синие лучи солнечного света. Это позволит DISR сделать спектральный анализ поверхности. Для определения силы ветра на Титане на протяжении всего спуска будет отслеживаться сдвиг частоты радиосигнала зонда, а анализатор структуры атмосферы (Huygens Atmospheric Structure Instrument - HASI) измерит температуру, давление и электрическое поле, которое может указать на присутствие молний. Весь спуск займет от 2,5 до 3 часов.
Основная цель Huygens'а - исследовать атмосферу Титана, поэтому не было предпринято специальных мер, чтобы гарантировать его сохранность после приземления. Ученых интересует природа поверхности спутника. Покрыта ли она жидкими углеводородами? Имеются ли на ней следы геологической активности или эволюции органического вещества? Или же Титан - просто ледяной спутник, покрытый кратерами? Поэтому зонд оснастили комплексом для изучения поверхности (Surface Science Package - SSP), который на заключительной стадии спуска при помощи звуковых волн измерит неровность поверхности. A HASI сделает подобные измерения, используя сигналы радара.
При столкновении с Титаном, которое должно произойти на скорости в несколько метров в секунду, акселерометры зонда передадут данные через SSP, чтобы определить, является ли поверхность жесткой, снежной или жидкой. Если зонд переживет посадку, то он сможет трижды по 30 минут передать данные на орбитальный аппарат Cassini, прежде чем тот скроется за горизонтом спутника. Если Huygens сядет в углеводородное озеро или океан, то SSP измерит температуру, плотность и другие параметры жидкости. Его датчики вычислят скорость звука внутри жидкости и, возможно, ее глубину. Тем временем DISR получит изображения, а GCMS попробует определить состав углеводородов. Huygens может плавать в жидких углеводородах, хотя их плотность меньше плотности воды.