Nach dem Jungfernflug der leichten europäischen Trägerrakete Vega vergingen fast 15 Monate bis zum zweiten Einsatz. Mit drei Satelliten, davon ein CubeSat, wurde die Nutzlastkapazität der Vega zudem beim zweiten Start nicht annähernd ausgeschöpft. Hauptnutzlast war bei dem Start am 07.05.2013 von Kourou der ESA Technologiesatellit PROBA-​V (Project for On-​Board Autonomy — Vegetation). Den Auftrag zum Bau des Satelliten hatte QinetiQ Space Belgium erhalten. Noch vor der Übernahme durch den QinetiQ Konzern waren bei der damaligen Verhaert Space die beiden ersten PROBA Satelliten gebaut worden. Auf diesen Erfahrungen konnte man nun für das neue Projekt aufbauen. Neben der weiteren Qualifikation von Satellitensubsystemen verfolgte die neue Mission primär ein Ziel, die Sicherstellung der Kontinuität der Sensordatengewinnung des französischen VGT (Vegetation) Instruments. Dieses hatte sich auf den großen Erderkundungssatelliten SPOT 4 und SPOT 5 (Satellite Probatoire de l’Observation de la Terre) ausgezeichnet bewährt und seit 1998 globale Daten zum Zustand der Vegetation geliefert. Doch die neueste Generation der SPOT Satelliten war deutlich kleiner, so daß das VGT Instrument entfallen war. Für den Einsatz auf einem Minisatelliten mußte das Instrument dennoch zunächst modifiziert werden, so daß die PROBA-​V Mission experimentellen Charakter trug. Weitere sekundäre wissenschaftliche Experimente waren SATRAM, der Space Application of Timepix-​based Radiation Monitor, und EPT, das Energetic Particle Telescope. Erstmals flog zudem ein ADS-​B Detektor an Bord eines Satelliten. Das Automatic Dependent Surveillance — Broadcast System bezeichnet dabei eine Methode zur Verfolgung von Flugbewegungen anhand von genormten Datenpaketen, die automatisch und kontinuierlich von Flugzeugen abgestrahlt werden. Vor allem in Regionen ohne lückenlose Radarüberwachung bewährte sich das System seit seiner Einführung sehr gut. Beispielsweise über dem offenen Meer wies aber auch das ADS Netz große Lücken auf. Vom Einsatz der Empfänger auf Satelliten erhoffte man sich, ähnlich wie beim AIS (Automatic Identification System) für Schiffsbewegungen, eine Alternative zu einem Netz von Bodenstationen.
Noch etwas kleiner fiel die zweite Nutzlast der Vega aus. VNREDSat 1a war Anfang 2011 von der Vietnam Academy of Science and Technology (VAST) bei EADS Astrium in Auftrag gegeben worden. Der Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster Monitoring Satellite sollte Vietnams Abhängigkeit von ausländischen Erderkundungsdaten reduzieren und zudem als Trainingsobjekt für einheimische Experten dienen. Dementsprechend wurden vietnamesische Ingenieure und Operatoren in die Entwicklung und den Bau des Satelliten einbezogen. Dieser basierte auf dem Myriade/AstroSat 100 Bus und erhielt das NAOMI (New AstroSat Optical Modular Instrument), das schon auf anderen Satelliten von EADS zum Einsatz gekommen war. Es konnte panchromatische Bilder mit 2,5 m und multispektrale Aufnahmen mit 10 m Auflösung liefern.
Zum Transport der beiden etwa 1 m³ messenden Satelliten kam erstmals die VESPA (Vega Secondary Payload Adapter) Doppelstartvorrichtung zum Einsatz. Im Inneren der Struktur wurden VNREDSat 1 A und der CubeSat ESTCube untergebracht, PROBA-​V darauf montiert.
Studenten der Universität Tartu (mit Beteiligung weiterer in– und ausländischer Institute) hatten den ESTCube 1 CubeSat entworfen und gebaut. Grundsätzlich erfüllte das ESTCube Programm primär eine Aufgabe als interdisziplinäres Ausbildungsobjekt für die Studenten der Universität. Entsprechend war auch die Ausstattung mit einem Miniatur-​Lageregelungssystem und einer Kamera typisch für einen studentischen CubeSat. Wirklich innovativ war aber das Hoytether Experiment, das mit ESTCube 1 unternommen werden sollte. Von dieser speziellen Seilform erwarteten Experten eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten auch unter kosmischen Bedingungen. Den Nachweis dafür hatte bisher aber noch kein Experiment praktisch erbringen können. Nun sollte mit ESTCube ein 10 m Hoytether ausgefahren werden, welches zudem als Vorversuch für ein neuartiges Design eines Sonnensegels konzipiert war. Nach einem Jahr im Orbit bereitete das ESTCube Studententeam das E-​sail Experiment vor. Doch dann wurde eine starke Störung des magnetischen Ausrichtungssystems festgestellt, die die kontrollierte Rotation zur Aktivierung des E-​sail zunächst verhinderte. Im Mai 2014 war eine Rotation von 250° pro Sekunde erreicht, was zum Abspulen von zunächst 3 m Hoytether ausreichen sollte. Als man am 16.09.2014 den Versuch dazu unternahm, löste sich die Endmasse jedoch leider nicht vom Satelliten. Weitere Versuche brachten auch kein besseres Ergebnis. Am 13.10.2014 wurde die Rotation auf einen Rekordwert von 841° pro Sekunde gesteigert. Doch die Telemetrie zeigte weiterhin, daß sich der Antrieb der Spule mit dem Hoytether nicht bewegte. Entweder wegen eines defekten Motors oder einer blockierter Seilbremse. Damit mußten die Bemühungen leider erfolglos eingestellt werden. Zudem konnte nachfolgend keine ausgeglichene Energiebilanz mehr erreicht werden. Am 19.05.2015 brach die Energieversorgung schließlich zusammen.
Der Start der drei Satelliten auf ihre individuellen sonnensynchronen Bahnen hatte sich zunächst wegen kleinerer Probleme bei der Vorbereitung der Rakete und ihrer Nutzlasten etwas verzögert. Dann gab es auch noch Schwierigkeiten mit der Bodenausrüstung am Startkomplex. Der eigentliche Countdown am 04.05.2013 verlief aber ohne Zwischenfälle. Doch knapp eine halbe Stunde vor dem Abheben wurde die Entscheidung getroffen, den Start wegen zu starker Höhenwinde abzusetzen. Erst einige Tage später hatten sich die Bedingungen gebessert, so daß ein neuer Versuch unternommen werden konnte. Am 07.05.2013 hob die Vega dann von Kourou ab. Zwei Stunden später war mit ESTCube der letzte der drei Satelliten ausgesetzt, woraufhin die AVUM (Attitude & Vernier Upper Module) Endstufe mit einer fünften und letzten Zündung planmäßig zum Absturz gebracht wurde.